火電廠熱力管道二次應(yīng)力優(yōu)化分析

王悅新 李丹丹 姚宇飛

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，火電廠建設(shè)越來(lái)越完善。在火電廠對(duì)熱力管道設(shè)計(jì)中進(jìn)行分析時(shí)要考慮管道中的應(yīng)力，在對(duì)二次應(yīng)力分析的過(guò)程中對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，提出了有關(guān)熱力管道設(shè)計(jì)中相應(yīng)的解決措施，并對(duì)相應(yīng)的措施進(jìn)行了探討和分析。

關(guān)鍵詞：火電廠，熱力管道，二次應(yīng)力，優(yōu)化

火電廠熱力管道應(yīng)力分析是管道布置過(guò)程中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要工作是驗(yàn)算管道在內(nèi)壓、自重和其他外載作用下所產(chǎn)生的一次應(yīng)力和在熱脹、冷縮及位移受約束時(shí)所產(chǎn)生的二次應(yīng)力，判斷計(jì)算管道的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性，以及管道對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的推力和力矩應(yīng)在設(shè)備所能安全承受的范圍內(nèi)。因此，管道應(yīng)力分析不僅僅是簡(jiǎn)單計(jì)算一下管道的應(yīng)力，它是一個(gè)擴(kuò)展的概念。

一、熱力管道應(yīng)力分析

（一）熱力管道實(shí)際承受荷載的確定

溫度荷載就是熱力管道在投入運(yùn)行中會(huì)受到不同類(lèi)型壓力以及溫度的影響，在具體工程建設(shè)中需要對(duì)影響最大的因素進(jìn)行分析，便于工程建設(shè)中管道能夠在各類(lèi)施工狀態(tài)下滿足技術(shù)要求。持續(xù)外載主要與管道實(shí)際承受荷載、吊架反力相關(guān)，大多呈現(xiàn)出集中化或是分散式的持續(xù)外載。管道從實(shí)際安裝到投入運(yùn)行的這段時(shí)間內(nèi)，管道內(nèi)部介質(zhì)會(huì)因?yàn)閮?nèi)部和外部溫度的變化影響，通過(guò)熱脹冷縮基本原理使管道發(fā)生具體形變。目前與設(shè)備相互連接的管道，由于自身溫度的變化會(huì)導(dǎo)致各個(gè)端點(diǎn)發(fā)生不同程度位移，使管道實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生較多約束力，從而使管道整體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變。偶然荷載主要是來(lái)源于外界環(huán)境的沖擊荷載，比如地震荷載、自然天氣荷載等。此類(lèi)荷載沒(méi)有固定規(guī)律可循，大多都是在偶爾環(huán)境下發(fā)生的，但是不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)發(fā)生的情況。

（二）荷載實(shí)際工況概述

火電廠熱力管道在工程中的應(yīng)力分析，在大多數(shù)常見(jiàn)情況下，熱力管道應(yīng)力計(jì)算需要對(duì)管道實(shí)際運(yùn)行以及安裝過(guò)程承受的荷載進(jìn)行分析。安裝工況就是管道在外部環(huán)境、內(nèi)壓以及外界溫度的影響下對(duì)管道受力情況的整體影響。荷載運(yùn)行工況就是在一般運(yùn)行條件下，工程中熱力管道在內(nèi)壓以及各項(xiàng)溫度環(huán)境下的荷載工況。

（三）熱力管道在工程中應(yīng)力的計(jì)算軟件選取

當(dāng)前隨著我國(guó)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在生產(chǎn)中得到全面普及，國(guó)內(nèi)外都對(duì)火電廠熱力管道二次應(yīng)力分析計(jì)算軟件進(jìn)行了探究，各類(lèi)計(jì)算程序處于發(fā)展和完善階段。我國(guó)也對(duì)管道應(yīng)力分析程序進(jìn)行了編制，但是此類(lèi)程序?qū)嶋H目的性較強(qiáng)，功能較為單一，不能更好地突出商業(yè)化發(fā)展特點(diǎn)。當(dāng)前Caesar軟件能夠?qū)芾韯?dòng)力和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，綜合功能較多，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)管道非線性受力情況分析之后，能夠掌握管道應(yīng)力、受力、振動(dòng)頻率等多項(xiàng)數(shù)值。

二、熱力管道應(yīng)力分類(lèi)

（一）一次應(yīng)力

熱力管道設(shè)計(jì)中所受到的一次應(yīng)力主要是因?yàn)楣艿朗艿酵饨绲膲毫?、重力和其他外界產(chǎn)生的壓力，熱力管道設(shè)計(jì)中所受到的應(yīng)力需要的是平衡外力，熱力管道設(shè)計(jì)中所受到的一次應(yīng)力存在的特點(diǎn)是對(duì)管道的自身沒(méi)有自限性，而且會(huì)隨著一次應(yīng)力的變化對(duì)管道自身所受到的應(yīng)力隨之變化，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)熱力管道會(huì)發(fā)生變形或情況嚴(yán)重時(shí)致其損壞，因此要求和限制也更加的嚴(yán)格，防止因?yàn)闊崃艿赖倪^(guò)度變形和彎曲對(duì)管道造成破壞，對(duì)一次應(yīng)力的彈性和極限要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

（二）二次應(yīng)力

熱力管道設(shè)計(jì)中發(fā)生的二次應(yīng)力是因?yàn)楣艿澜Y(jié)構(gòu)受到外界的環(huán)境因素影響發(fā)生熱脹冷縮，對(duì)管道約束位置發(fā)生了位移，其中管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力沒(méi)有直接和外力進(jìn)行平衡，要根據(jù)滿足管道位移約束條件內(nèi)所需要的應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整。熱力管道設(shè)計(jì)中所受到的二次應(yīng)力主要的特點(diǎn)是應(yīng)力本身就具有自限性，對(duì)熱力管道所造成的損害只是使管道受到輕微的變形，并且在應(yīng)力分散的狀態(tài)下降低了，對(duì)于一些質(zhì)量比較好的管道材料，一般情況下在熱力管道進(jìn)行第一次加工的同時(shí)二次應(yīng)力不會(huì)直接對(duì)管道造成破壞，當(dāng)管道發(fā)生多次變形的情況下才會(huì)對(duì)管道造成破壞，對(duì)于熱力管道設(shè)計(jì)中的二次應(yīng)力的限制不只是取決于時(shí)間的限制，而是要看熱力管道設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)能力和變換次數(shù)。

（三）峰值應(yīng)力原理

熱力管道設(shè)計(jì)中的峰值應(yīng)力原理取決于管道局部結(jié)構(gòu)受到不連續(xù)的荷載，是在一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的基礎(chǔ)上進(jìn)行增量，峰值應(yīng)力原理的主要特點(diǎn)是對(duì)熱力管道造成不是很明顯的變形，在短時(shí)間內(nèi)荷載的應(yīng)力開(kāi)始進(jìn)行衰退，這很容易對(duì)熱力管道造成破壞產(chǎn)生裂紋，同時(shí)對(duì)峰值應(yīng)力原理在短時(shí)間內(nèi)受到荷載進(jìn)行應(yīng)力分析。

三、管道二次應(yīng)力優(yōu)化分析

（一）二次應(yīng)力的計(jì)算

二次應(yīng)力范圍可通過(guò)下述方法計(jì)算^[1]：

式中：σE-熱脹應(yīng)力范圍（MPa），MC-按全補(bǔ)償值和鋼材在20℃時(shí)的彈性模量計(jì)算，熱脹引起的合成力矩范圍（N·mm），f-熱脹應(yīng)力范圍的減小系數(shù)，[σ]20-鋼材在20℃時(shí)的許用應(yīng)力（MPa），[σ]t-鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（MPa），σL-管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和（MPa），W-管子抗彎截面系數(shù)（mm3），i-應(yīng)力增加系數(shù)，且0.75i不應(yīng)小于1。在實(shí)際應(yīng)力分析過(guò)程中，應(yīng)力超標(biāo)的地方往往出現(xiàn)在彎頭或者三通上，一方面是因?yàn)樵谶@些地方管道走向或規(guī)格發(fā)生了改變，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，因此這些地方的應(yīng)力比其他地方大，在彎頭或三通處應(yīng)力更容易超標(biāo)，這就是i的作用。另一個(gè)原因是管道走向的變化導(dǎo)致彎矩的產(chǎn)生，彎矩具有傳遞性，彎矩如果疊加到一定程度超出管件的承受范圍，則管件發(fā)生破壞，但破壞之前的直接表現(xiàn)是應(yīng)力超標(biāo)，這就是MC的作用。而MC更容易使i值較大的地方應(yīng)力超標(biāo)。MC和i直接關(guān)系著二次應(yīng)力計(jì)算值的大小。

（二）二次應(yīng)力優(yōu)化方法

由公式（1）可以看出，應(yīng)力增加系數(shù)i和管子抗彎截面系數(shù)W在管件確定后已經(jīng)成為定值，可優(yōu)化的部分只有MC。只有在優(yōu)化無(wú)果的情況下可以經(jīng)過(guò)論證選擇i值較小或者W值較大的管件替換原管件，但是該方法一般不推薦使用，因?yàn)椴捎迷摲椒ㄐ枰匦滦薷墓に囅到y(tǒng)，改動(dòng)牽扯范圍較廣。而且i值較小或者W值較大的管件往往規(guī)格較高，會(huì)造成材料成本增加。對(duì)于熱脹合成力矩MC，我們有以下公式計(jì)算：

式中：P-作用在某處的合成力（N），L-合力相對(duì)于某處的力臂（mm）。當(dāng)不考慮重力因素時(shí)，管系中力P的產(chǎn)生是由溫差作用下管道的變形引起，管道總是沿軸向變形，因此對(duì)應(yīng)方向上的變形在某點(diǎn)受到約束時(shí)則在該點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)方向上的力。該力以某點(diǎn)后的管段為力臂，在下一點(diǎn)產(chǎn)生力矩。

四、結(jié)語(yǔ)

總之，在對(duì)熱力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析對(duì)其參數(shù)計(jì)算可能會(huì)遇到一些問(wèn)題，但要保證熱力管道設(shè)計(jì)中參數(shù)計(jì)算的正確性，熱力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析要合理規(guī)范，如果在對(duì)熱力管道的邊界條件及約束處理存在錯(cuò)誤性，會(huì)對(duì)熱力管道造成很大的破壞，因此核算熱力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析時(shí)需要特別得認(rèn)真仔細(xì)，所以說(shuō)對(duì)熱力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析也是具有非常重要的意義。

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