工業(yè)項目熱力管道應力分析的難點及要點探析

史曉光

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

1 工業(yè)項目熱力管道應力分析的重要性

工業(yè)項目熱力管道應力分析的主要目的是保證管道具有足夠的柔性，避免管道在各種因素下發(fā)生破壞與變形等問題。熱力管道應力分析的主要內容有靜力分析和動力分析，比如，在持續(xù)荷載下的一次應力計算、管道自振頻率分析等。工業(yè)項目熱力管道應力分析的重要性表現(xiàn)在可對管道安全性進行判斷分析，確保管道設計的經濟性與合理性，而且能在應力分析下對管道支吊架進行合理布置。熱力管道走向為三維空間，由多條主管共同組成，形成多個環(huán)形結構，可通過三維立體圖的建立，對地應力分析的結構參數(shù)進行確定。管道應力分析的步驟如圖1所示。

圖1 管道應力分析的步驟

將管系布置好之后，需對計算范圍進行劃分；對道的支吊點型式予以確定，將滑動點、吊架確定為水平管道，管道如果有位移，則要將彈簧支吊點確定為管道的布置要求[1]；分析計算管系應力；管道布置需按照應力分析結果進行調整，調整的主要內容有支點位置等，確保管道應力及管端力矩符合要求時就可以停止；外載荷為將管端推力和力矩，管端的最大推力需符合要求；管架的設計依據(jù)為管系中支點的作用力；彈簧支吊架設計的依據(jù)是各支吊點的作用力和位移量。

2 工業(yè)項目熱力管道應力分析的難點

2.1 管系荷載的確定

管道自身所承受的荷載和溫度、管系的持續(xù)外載、管道內部熱力膨脹和端點位移變化、偶然性荷載是管系荷載的4個要點[2]。在工業(yè)項目熱力管道應力分析期間，需合理確定其荷載，避免這幾個問題對管道后期的運行產生影響。

2.2 一次應力分析

在工業(yè)項目熱力管道應力分析中，一次應力分析是難點，在管道內部壓力或機械外部荷載的影響下，出現(xiàn)正應力，將這種應力稱之為一次應力。在一次應力分析時，要對管道截面等設置進行合理確定，這就增加了一次分析的難度與控制。

2.3 二次應力分析

二次應力的評定基礎是一次應力，其在熱脹時會讓管道在外力約束下產生應力，需驗算比對管道冷熱狀態(tài)下的應力范圍。在對二次應力進行分析時，難點是容易忽略管道蠕動與材料屈服時所產生的不同狀態(tài)。

2.4 技術要求較高

在對工業(yè)項目熱力管道應力分析期間，要求在操作、分析與計算過程中，技術人員不僅要具備較高的專業(yè)素養(yǎng)與較強的實踐能力，還能對分析全過程進行有效控制，確保工業(yè)項目熱力管道應力分析的有效性[3]。

3 工業(yè)項目熱力管道應力分析的要點

3.1 荷載確定

管系荷載確定對應力分析具有重要意義，管系所受到的荷載主要有4類。

1）壓力與溫度荷載。熱力管道在運行過程中，由于所處壓力與溫度環(huán)境不同，所產生的荷載也不同，所以在對管道應力進行計算時，需對壓力與溫度荷載進行合理確定，能了解在各類危險工況下熱力管道是否能安全運行。

2）持續(xù)外載。持續(xù)外載由管道基本載荷、支吊架的反力等組成，在應力分析時也要對持續(xù)外載予以確定。

3）熱脹及端點附加位移。管道在安裝完畢后會投入運行，在運行過程中管道內介質溫度會發(fā)生變化，管道會受到熱脹冷縮的影響，容易產生變形。同時，管道與設備在連接過程中，設備會出現(xiàn)溫度變化，使管道產生端點附加位移的情況，從而讓管道發(fā)生變形。

4）偶然荷載。偶然荷載是熱力管道設計基準期內不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時間很長的荷載。工業(yè)項目熱力管道安裝和運輸時要對偶然荷載進行考慮：在常溫下安裝期間，要對內壓、持續(xù)外載等影響因素進行分析。在不同情況下管道所受到的荷載不同，這時就要對內壓、自重等情況下的荷載工況進行確定。

3.2 一次應力分析要點

一次應力的產生會受到多種應力的共同作用，如內壓、風荷載等。在工作狀態(tài)下，管道會出現(xiàn)塑性變形，變形產生的應力較大時，就會對管道造成破壞。所以留下適當?shù)脑６扰c屈服極限十分重要，這樣能避免管道發(fā)生變形破壞管道，進而造成不可挽回的損失。使用極限法校核一次應力，且要將其控制在管道許用范圍內。管道截面、荷載等設置會影響其大小。一次應力分析時，要求在工作狀態(tài)下，要對管道內壓縮產生的折算應力進行判斷，不能超過鋼材在設計溫度下的許用范圍。內壓折算成的應力計算見式（1）：

式中，σZS為內壓折算成的應力；p為管道設計壓力；DW為管道外徑；S為管道壁厚；C1為驗算時的管子壁厚附加值；η為許用應力的修正系數(shù)。

3.3 二次應力分析要點

在自身連續(xù)變形或者受外部約束時管道所生成的正應力，本身不會直接與外力相平衡。變形應力會在管道的熱脹、冷縮等情況下引起。這種應力如果長期存在，會危害管道安全性與穩(wěn)定性，最終管道會在局部屈服與小量塑性變形影響下，出現(xiàn)疲勞破壞。在熱狀態(tài)下，管道的初始熱應力當達到設定限定數(shù)值時，應力下降情況比較明顯；但當管道處于冷狀態(tài)時，這種情況就會截然相反。管道的冷緊縮屬于自拉，但在實際應用中自拉量無法有效確定。在計算分析時，可使用全補償值，20℃下的鋼材彈性模量，可確定應力范圍。為確保分析方法的可靠性與合理性，需要對蠕變的熱脹應力、屈服時所產生的拉力進行分析。二次應力最為明顯的特征是自限性，管道在溫度的影響下在熱脹時產生荷載，進而產生應力，但應力并不會一直增大，在熱脹變形過程中部分應力會被釋放。熱脹是二次應力分析時必須關注的要點。管材的熱脹應力范圍的計算見式（2）：

式中，σ∈為熱脹應力范圍；[σ]20為鋼材在20℃時的許用應力；[σ]t為鋼材在設計溫度下的許用應力；Mc為按全補償值和鋼材在20℃時的彈性模量計算，熱脹引起的合成力矩范圍；σL為管道在工作狀態(tài)下，軸向應力之和（內壓+其他持續(xù)外載）；f為熱脹應力范圍的減小系數(shù)；i為應力增加系數(shù)；W為管道抗彎截面系數(shù)。

3.4 技術控制要點

由于熱管道應力分析具有較強的技術性與專業(yè)性，所以要求技術人員必須具有較高的綜合素養(yǎng)與能力。而且需針對分析情況，能做好各方面控制。如需合理選擇計算軟件，可選擇CaesarⅡ、Triflex等軟件。以CaesarⅡ為例，其具有較為齊全的功能，可對管道靜力、動力進行分析，且能對非線性約束等進行綜合考慮，在計算時發(fā)揮著不可替代的作用。

邊界條件與約束處理也十分重要，要做好參數(shù)控制，并能確保邊界條件和約束與現(xiàn)場情況相一致。要簡化滑動支架、固定支架等對管道的約束，便于計算模型應用。滑動支架受約束與不受約束的位移需合理設置，前者定為零，后者則有較強的自由性。技術人員必須控制好計算分析全過程，確保各項參數(shù)、細節(jié)等都能符合要求，提升管道應力分析效果，確保管道在實際應用中的安全性與可靠性[4]。

4 管道應力分析的安全評定以及其他要點

4.1 安全評定

管道自身及管道與其他設備相連接的安全性與穩(wěn)定性是安全評定的關鍵所在。為確保支吊架的安全性，要在設計期間對承載能力進行合理分析，確保土建結構具有較強的安全性與穩(wěn)定性。安全評定工作的有效開展十分重要，只有保證各項條件能滿足規(guī)定要求，才能讓管道自身、管道與設備連接處于安全與穩(wěn)定的環(huán)境。通過安全評定可找到影響管道安全的各項因素，確保管道在運行中不會受到其他環(huán)境或者應力的影響。

4.2 其他要點

1）管道初算與調整。在初算關系應力時，要調整好初算結果，并能通過對一次應力與二次應力結果的查看與調整，確定計算結果是否滿足設計要求，并做好調整。

2）峰值應力。管材局部受力而附加于一次應力或二次應力的增量是峰值應力，這種應力會讓管道出現(xiàn)疲勞破壞。要求在分析時，對管道工作參數(shù)等進行明確。處于冷狀態(tài)時，對于一般熱力管道，疲勞強度是峰值應力限定的主要手段；處于熱狀態(tài)時高溫材料強度是峰值應力限定的手段。在具體應用中，可選擇兩個較小值，峰值應力范圍限定需滿足一定條件，要求≤1.25（[σ]20+[σ]t）。

3）支吊架失重。在應力分析中失重是可能會遇到的問題。不同自重彎矩是出現(xiàn)這種情況的主要原因。當存在水平管道跨距不均勻情況時，就會出現(xiàn)失重。為消除失重問題，可采取調整吊架跨距的方式予以解決。

4）對設備接口的推力（彎矩）超載。當推力（彎矩）超出允許范圍后，就會破壞設備，對機組運行會產生影響，所以需做好相應的處理。（1）當推力在垂直方向過大時，就要對相應支吊架的荷重進行分析，對推力進行控制。（2）推力在水平方向過大時，可將相應的限位支架裝設在距離端點一定距離的位置，對推力進行阻隔。（3）作用力矩過大時，要對力矩方向與變形方向進行分析，為減小力矩需采用產生力矩的限位裝置進行處理。

5）應力結果不滿足。對應力計算結果進行分析，對應力范圍要予以確定。一次應力范疇屬于持續(xù)荷載、偶然荷載作用，一次應力不合格要調整支吊架間距；二次應力范疇為熱脹冷縮、端點約束力，當二次應力不合格時，要改變支吊架類型，對管系進行重新布置。

5 結語

在熱力管道應力分析時，要注意的點較多，要求能及時發(fā)現(xiàn)問題，并能明確其分析要點，確保分析工作有效進行。工業(yè)項目熱力管道應力分析，能及時了解管道存在的安全問題，并予以處理，確保日后管道運行的安全性；避免管道出現(xiàn)變形、位移等各種問題，影響管道的正常運行。