王悅新 李丹丹 姚宇飛

摘要：近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，火電廠建設(shè)越來越完善。在火電廠對熱力管道設(shè)計中進(jìn)行分析時要考慮管道中的應(yīng)力，在對二次應(yīng)力分析的過程中對可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，提出了有關(guān)熱力管道設(shè)計中相應(yīng)的解決措施，并對相應(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程中不可缺少的一個環(huán)節(jié)，其主要工作是驗算管道在內(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所產(chǎn)生的二次應(yīng)力，判斷計算管道的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性，以及管道對設(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)力分析不僅僅是簡單計算一下管道的應(yīng)力，它是一個擴展的概念。

一、熱力管道應(yīng)力分析

（一）熱力管道實際承受荷載的確定

溫度荷載就是熱力管道在投入運行中會受到不同類型壓力以及溫度的影響，在具體工程建設(shè)中需要對影響最大的因素進(jìn)行分析，便于工程建設(shè)中管道能夠在各類施工狀態(tài)下滿足技術(shù)要求。持續(xù)外載主要與管道實際承受荷載、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。管道從實際安裝到投入運行的這段時間內(nèi)，管道內(nèi)部介質(zhì)會因為內(nèi)部和外部溫度的變化影響，通過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導(dǎo)致各個端點發(fā)生不同程度位移，使管道實際應(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。此類荷載沒有固定規(guī)律可循，大多都是在偶爾環(huán)境下發(fā)生的，但是不會出現(xiàn)同時發(fā)生的情況。

（二）荷載實際工況概述

火電廠熱力管道在工程中的應(yīng)力分析，在大多數(shù)常見情況下，熱力管道應(yīng)力計算需要對管道實際運行以及安裝過程承受的荷載進(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管道受力情況的整體影響。荷載運行工況就是在一般運行條件下，工程中熱力管道在內(nèi)壓以及各項溫度環(huán)境下的荷載工況。

（三）熱力管道在工程中應(yīng)力的計算軟件選取

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

二、熱力管道應(yīng)力分類

（一）一次應(yīng)力

熱力管道設(shè)計中所受到的一次應(yīng)力主要是因為管道受到外界的壓力、重力和其他外界產(chǎn)生的壓力，熱力管道設(shè)計中所受到的應(yīng)力需要的是平衡外力，熱力管道設(shè)計中所受到的一次應(yīng)力存在的特點是對管道的自身沒有自限性，而且會隨著一次應(yīng)力的變化對管道自身所受到的應(yīng)力隨之變化，當(dāng)達(dá)到一定程度時熱力管道會發(fā)生變形或情況嚴(yán)重時致其損壞，因此要求和限制也更加的嚴(yán)格，防止因為熱力管道的過度變形和彎曲對管道造成破壞，對一次應(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)計中發(fā)生的二次應(yīng)力是因為管道結(jié)構(gòu)受到外界的環(huán)境因素影響發(fā)生熱脹冷縮，對管道約束位置發(fā)生了位移，其中管道設(shè)計中的應(yīng)力沒有直接和外力進(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)計中所受到的二次應(yīng)力主要的特點是應(yīng)力本身就具有自限性，對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二次應(yīng)力不會直接對管道造成破壞，當(dāng)管道發(fā)生多次變形的情況下才會對管道造成破壞，對于熱力管道設(shè)計中的二次應(yīng)力的限制不只是取決于時間的限制，而是要看熱力管道設(shè)計中對應(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)力原理的主要特點是對熱力管道造成不是很明顯的變形，在短時間內(nèi)荷載的應(yīng)力開始進(jìn)行衰退，這很容易對熱力管道造成破壞產(chǎn)生裂紋，同時對峰值應(yīng)力原理在短時間內(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)力的計算

二次應(yīng)力范圍可通過下述方法計算^[1]：

式中：σE-熱脹應(yīng)力范圍（MPa），MC-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（N·mm），f-熱脹應(yīng)力范圍的減小系數(shù)，[σ]20-鋼材在20℃時的許用應(yīng)力（MPa），[σ]t-鋼材在設(shè)計溫度下的許用應(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。在實際應(yīng)力分析過程中，應(yīng)力超標(biāo)的地方往往出現(xiàn)在彎頭或者三通上，一方面是因為在這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)化無果的情況下可以經(jīng)過論證選擇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，因為采用該方法需要重新修改工藝系統(tǒng)，改動牽扯范圍較廣。而且i值較小或者W值較大的管件往往規(guī)格較高，會造成材料成本增加。對于熱脹合成力矩MC，我們有以下公式計算：

式中：P-作用在某處的合成力（N），L-合力相對于某處的力臂（mm）。當(dāng)不考慮重力因素時，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，因此對應(yīng)方向上的變形在某點受到約束時則在該點產(chǎn)生對應(yīng)方向上的力。該力以某點后的管段為力臂，在下一點產(chǎn)生力矩。

四、結(jié)語

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

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