廉 平，馮婷婷

（黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080）

對(duì)鍋爐汽水管道應(yīng)力的計(jì)算研究

廉 平，馮婷婷

（黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080）

文章對(duì)鍋爐汽水管道的應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)鍋爐汽水管道的應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行了研究。

鍋爐汽水管道；應(yīng)立計(jì)算；研究

蒸汽管道的載荷作用力有多種多樣，可通過(guò)管道內(nèi)的介質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生力、通過(guò)各種管件重量而集中合成力、管道支吊架、來(lái)自外界的溫度環(huán)境所反應(yīng)出來(lái)的應(yīng)力，等等，這些力都可使管道的外表發(fā)生變形。

1　對(duì)鍋爐汽水管道的應(yīng)力分析

火力發(fā)電廠鍋爐汽水管道的工作環(huán)境要具備兩種條件：第一，有一定的壓力。第二，有適宜的溫度。以往的計(jì)算方法過(guò)于復(fù)雜，而且準(zhǔn)確度低，不能從整體看出管系的分布情況，于是，人們開(kāi)始利用ANSYS PIPING MODELS方法來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析。

1.1應(yīng)力限制的最大范圍及其分析

管道的一次應(yīng)力是受外部支吊架的力和自身產(chǎn)生的重量所影響，且內(nèi)力和外力必須保持平衡，若是它的重量無(wú)限的增加，超過(guò)所能承受的力度，則會(huì)破壞管道的形體。為了防止管道的承受力超過(guò)限度而破裂，要留出適宜的寬裕度。在承受力的同時(shí)，或受外界的熱脹冷縮而發(fā)生的變形屬于二次應(yīng)力。它跟一次應(yīng)力有所差別，它是通過(guò)變形來(lái)適應(yīng)與外力的平衡。若是變形次數(shù)過(guò)多，也會(huì)對(duì)管道附件造成損害，因此，要注意應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)及范圍。在我國(guó)規(guī)定的交變應(yīng)力的合理次數(shù)頻數(shù)應(yīng)該為7 000次，若超出這個(gè)范圍，會(huì)加重管道的勞損，甚至破裂。若管道的應(yīng)力、應(yīng)變達(dá)到或超出上線后，管道材料就有了可塑性。在超出變形范圍后，可以把超出的應(yīng)力作為經(jīng)過(guò)塑性變化后的量度。最大應(yīng)力的范圍只要在2倍以內(nèi)，就可以得出管道的彈性變化。依據(jù)管道應(yīng)力所承受的應(yīng)力理論，管道材料在不斷循環(huán)中發(fā)生的變形，長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)處于彈性狀態(tài)。管道的材料、結(jié)構(gòu)若遭到破壞，就可確定其超過(guò)自身所承受的兩倍的力。應(yīng)力應(yīng)變的最大范圍不能超過(guò)兩倍的極限力度，各鍋爐廠家在應(yīng)力計(jì)算中應(yīng)以此為依據(jù)。

1.2對(duì)管系設(shè)計(jì)參數(shù)及材料參數(shù)的分析

對(duì)機(jī)組的參數(shù)計(jì)算分析，可以火電廠鍋爐為英國(guó)撥伯葛動(dòng)力有限公司制造的亞臨界壓力自然循環(huán)汽包型鍋爐為例。該汽輪機(jī)型式為亞臨界、三缸雙排汽、單軸、一次中間再熱凝汽式，額定功率為362.5。管系有3個(gè)閥門，重量分別為21 500 N、20 000 N、18 000 N。管系共有8個(gè)支吊架，其中5處安裝彈簧吊架，3處為導(dǎo)向支架。保溫材料為硅酸鈣，密度220 kg/m3，厚度150 mm。各彈簧吊架所承受載荷、位移等不同數(shù)額會(huì)對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)。在15節(jié)點(diǎn)時(shí)，數(shù)量為1，計(jì)算位移的x、y、z數(shù)值都不同，熱態(tài)載荷、熱位移、剛度、最大載荷、安裝載荷參數(shù)也不一樣。

2　鍋爐汽水管道的應(yīng)力計(jì)算

2.1一次應(yīng)力與二次應(yīng)力

一次應(yīng)力是指正應(yīng)力，屬于非自限性，在內(nèi)壓和機(jī)械器具的重量之間進(jìn)行平衡控制。一次應(yīng)力的管道材料要達(dá)到火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力技術(shù)規(guī)程和美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)的彈性要求，均非自限性規(guī)定管道工作狀態(tài)。表現(xiàn)在管道上即由內(nèi)壓、自重等承受的重量都屬于這一類。當(dāng)管道材料的承受范圍達(dá)到極限后，會(huì)發(fā)生一系列情況，即產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重時(shí)直接破壞管道。管道計(jì)算完成后可以進(jìn)行驗(yàn)算，確保其安全性和可靠性，一般情況下不會(huì)對(duì)其驗(yàn)算，只有在特殊的情況下，才會(huì)驗(yàn)算。如遭遇8級(jí)地震的部位或是周邊需要建設(shè)廠房時(shí)才需要驗(yàn)算。在驗(yàn)算期間，地震所產(chǎn)生的力度不能完全驗(yàn)算在內(nèi)，取其中的1/2即可。二次應(yīng)力是指剪應(yīng)力，結(jié)構(gòu)自身的形體變化和外界的壓力連續(xù)產(chǎn)生的力的作用，它屬于自限性。通常表現(xiàn)為在管道上即由熱脹冷縮及位移受約束時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，這類應(yīng)力不會(huì)直接破壞管道，但是，可使管道的材料塑性變形、屈服，導(dǎo)致管道的不穩(wěn)定，從而發(fā)生突發(fā)的情況。管道的熱脹情況發(fā)生后，管道的材質(zhì)受熱會(huì)出現(xiàn)初始的熱應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力過(guò)高，超出它所承受的范圍，就會(huì)使管道發(fā)生蠕變屈服；另一方面，管道若是處于冷縮的狀態(tài)下往往會(huì)像反方向發(fā)展。這是管道的自彈現(xiàn)象，也被稱為管道冷緊度的自拉模式。由于在自拉的過(guò)程中，它的量度很難把握，它會(huì)時(shí)而松時(shí)而緊，管系在冷縮熱脹交替的循環(huán)中，它的總量是不會(huì)出現(xiàn)太大變化的。在管道應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程中，往往會(huì)發(fā)生意想不到的突發(fā)情況，因此維持平衡最為重要。

2.2管系應(yīng)力的計(jì)算

管系的應(yīng)力分析采用ANSYS PIPING MODELSo的方法，管系計(jì)算模型的兩端分別為汽缸出口、除氧器進(jìn)汽口，其中包括直管段、閥門、支管段、支吊架包括彈簧吊架和導(dǎo)向支架處理。坐標(biāo)系的設(shè)置為X軸正方向，Y軸正方向?yàn)樨Q直向上，Z軸正方向?yàn)殄仩t側(cè)指向汽機(jī)房側(cè)。按鋼材在計(jì)算溫度下的彈性模量計(jì)算，根據(jù)管道運(yùn)行時(shí)不同工況分別有按熱脹、端點(diǎn)附加位移、熱脹冷縮的緊度狀況、自身產(chǎn)生的重量和外界連續(xù)的荷載力及支吊架對(duì)機(jī)器的反作用力。

3　結(jié)語(yǔ)

分析并研究鍋爐廠管道的一次與二次應(yīng)力的參數(shù)分析計(jì)算，及對(duì)所要計(jì)算的應(yīng)力范圍進(jìn)行控制，避免導(dǎo)致管道的破裂。其結(jié)果可為我國(guó)鍋爐汽水管道的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

［1］王致祥.管道應(yīng)力分析與計(jì)算［M］.北京：水利電力出版社，1983.

［2]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析（第二版）［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2010.

［3]劉純，陳紅冬.鍋爐汽水管道應(yīng)力計(jì)算研究［C］//第九屆電站金屬材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（第二卷）.2011，48-49.

［4]黎雄.火電廠鍋爐汽水管道應(yīng)力計(jì)算研究［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010，（8）：73-76.

Research on Stress Calculation of the Boiler Steam Pipe

LIANPing，F(xiàn)ENGTing-ting
（Heilongjiang Forestry Designing Institute，Harbin 150080，China）

This paper analyzes the stress ofthe boiler and steampipe，the stress calculation ofthe boiler and steampipe is studied. Key words:Boiler steampipe；Stress calculation；Research

TM621.2

B

1674-8646（2015）07-0089-01