史曉光

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

1 工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)力分析的重要性

工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)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(yīng)力分析的主要內(nèi)容有靜力分析和動(dòng)力分析，比如，在持續(xù)荷載下的一次應(yīng)力計(jì)算、管道自振頻率分析等。工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)力分析的重要性表現(xiàn)在可對(duì)管道安全性進(jìn)行判斷分析，確保管道設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性與合理性，而且能在應(yīng)力分析下對(duì)管道支吊架進(jìn)行合理布置。熱力管道走向?yàn)槿S空間，由多條主管共同組成，形成多個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，可通過三維立體圖的建立，對(duì)地應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行確定。管道應(yīng)力分析的步驟如圖1所示。

圖1 管道應(yīng)力分析的步驟

將管系布置好之后，需對(duì)計(jì)算范圍進(jìn)行劃分；對(duì)道的支吊點(diǎn)型式予以確定，將滑動(dòng)點(diǎn)、吊架確定為水平管道，管道如果有位移，則要將彈簧支吊點(diǎn)確定為管道的布置要求[1]；分析計(jì)算管系應(yīng)力；管道布置需按照應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的主要內(nèi)容有支點(diǎn)位置等，確保管道應(yīng)力及管端力矩符合要求時(shí)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(shè)計(jì)依據(jù)為管系中支點(diǎn)的作用力；彈簧支吊架設(shè)計(jì)的依據(jù)是各支吊點(diǎn)的作用力和位移量。

2 工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)力分析的難點(diǎn)

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(nèi)部熱力膨脹和端點(diǎn)位移變化、偶然性荷載是管系荷載的4個(gè)要點(diǎn)[2]。在工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)力分析期間，需合理確定其荷載，避免這幾個(gè)問題對(duì)管道后期的運(yùn)行產(chǎn)生影響。

2.2 一次應(yīng)力分析

在工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)力分析中，一次應(yīng)力分析是難點(diǎn)，在管道內(nèi)部壓力或機(jī)械外部荷載的影響下，出現(xiàn)正應(yīng)力，將這種應(yīng)力稱之為一次應(yīng)力。在一次應(yīng)力分析時(shí)，要對(duì)管道截面等設(shè)置進(jìn)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(yīng)力分析

二次應(yīng)力的評(píng)定基礎(chǔ)是一次應(yīng)力，其在熱脹時(shí)會(huì)讓管道在外力約束下產(chǎn)生應(yīng)力，需驗(yàn)算比對(duì)管道冷熱狀態(tài)下的應(yīng)力范圍。在對(duì)二次應(yīng)力進(jìn)行分析時(shí)，難點(diǎn)是容易忽略管道蠕動(dòng)與材料屈服時(shí)所產(chǎn)生的不同狀態(tài)。

2.4 技術(shù)要求較高

在對(duì)工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)力分析期間，要求在操作、分析與計(jì)算過程中，技術(shù)人員不僅要具備較高的專業(yè)素養(yǎng)與較強(qiáng)的實(shí)踐能力，還能對(duì)分析全過程進(jìn)行有效控制，確保工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)力分析的有效性[3]。

3 工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)力分析的要點(diǎn)

3.1 荷載確定

管系荷載確定對(duì)應(yīng)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(yùn)行過程中，由于所處壓力與溫度環(huán)境不同，所產(chǎn)生的荷載也不同，所以在對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需對(duì)壓力與溫度荷載進(jìn)行合理確定，能了解在各類危險(xiǎn)工況下熱力管道是否能安全運(yùn)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(yīng)力分析時(shí)也要對(duì)持續(xù)外載予以確定。

3）熱脹及端點(diǎn)附加位移。管道在安裝完畢后會(huì)投入運(yùn)行，在運(yùn)行過程中管道內(nèi)介質(zhì)溫度會(huì)發(fā)生變化，管道會(huì)受到熱脹冷縮的影響，容易產(chǎn)生變形。同時(shí)，管道與設(shè)備在連接過程中，設(shè)備會(huì)出現(xiàn)溫度變化，使管道產(chǎn)生端點(diǎn)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(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時(shí)間很長的荷載。工業(yè)項(xiàng)目熱力管道安裝和運(yùn)輸時(shí)要對(duì)偶然荷載進(jìn)行考慮：在常溫下安裝期間，要對(duì)內(nèi)壓、持續(xù)外載等影響因素進(jìn)行分析。在不同情況下管道所受到的荷載不同，這時(shí)就要對(duì)內(nèi)壓、自重等情況下的荷載工況進(jìn)行確定。

3.2 一次應(yīng)力分析要點(diǎn)

一次應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)受到多種應(yīng)力的共同作用，如內(nèi)壓、風(fēng)荷載等。在工作狀態(tài)下，管道會(huì)出現(xiàn)塑性變形，變形產(chǎn)生的應(yīng)力較大時(shí)，就會(huì)對(duì)管道造成破壞。所以留下適當(dāng)?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(jìn)而造成不可挽回的損失。使用極限法校核一次應(yīng)力，且要將其控制在管道許用范圍內(nèi)。管道截面、荷載等設(shè)置會(huì)影響其大小。一次應(yīng)力分析時(shí)，要求在工作狀態(tài)下，要對(duì)管道內(nèi)壓縮產(chǎn)生的折算應(yīng)力進(jìn)行判斷，不能超過鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用范圍。內(nèi)壓折算成的應(yīng)力計(jì)算見式（1）：

式中，σZS為內(nèi)壓折算成的應(yīng)力；p為管道設(shè)計(jì)壓力；DW為管道外徑；S為管道壁厚；C1為驗(yàn)算時(shí)的管子壁厚附加值；η為許用應(yīng)力的修正系數(shù)。

3.3 二次應(yīng)力分析要點(diǎn)

在自身連續(xù)變形或者受外部約束時(shí)管道所生成的正應(yīng)力，本身不會(huì)直接與外力相平衡。變形應(yīng)力會(huì)在管道的熱脹、冷縮等情況下引起。這種應(yīng)力如果長期存在，會(huì)危害管道安全性與穩(wěn)定性，最終管道會(huì)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(yīng)力當(dāng)達(dá)到設(shè)定限定數(shù)值時(shí)，應(yīng)力下降情況比較明顯；但當(dāng)管道處于冷狀態(tài)時(shí)，這種情況就會(huì)截然相反。管道的冷緊縮屬于自拉，但在實(shí)際應(yīng)用中自拉量無法有效確定。在計(jì)算分析時(shí)，可使用全補(bǔ)償值，20℃下的鋼材彈性模量，可確定應(yīng)力范圍。為確保分析方法的可靠性與合理性，需要對(duì)蠕變的熱脹應(yīng)力、屈服時(shí)所產(chǎn)生的拉力進(jìn)行分析。二次應(yīng)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(shí)產(chǎn)生荷載，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力，但應(yīng)力并不會(huì)一直增大，在熱脹變形過程中部分應(yīng)力會(huì)被釋放。熱脹是二次應(yīng)力分析時(shí)必須關(guān)注的要點(diǎn)。管材的熱脹應(yīng)力范圍的計(jì)算見式（2）：

式中，σ∈為熱脹應(yīng)力范圍；[σ]20為鋼材在20℃時(shí)的許用應(yīng)力；[σ]t為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力；Mc為按全補(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；σL為管道在工作狀態(tài)下，軸向應(yīng)力之和（內(nèi)壓+其他持續(xù)外載）；f為熱脹應(yīng)力范圍的減小系數(shù)；i為應(yīng)力增加系數(shù)；W為管道抗彎截面系數(shù)。

3.4 技術(shù)控制要點(diǎn)

由于熱管道應(yīng)力分析具有較強(qiáng)的技術(shù)性與專業(yè)性，所以要求技術(shù)人員必須具有較高的綜合素養(yǎng)與能力。而且需針對(duì)分析情況，能做好各方面控制。如需合理選擇計(jì)算軟件，可選擇CaesarⅡ、Triflex等軟件。以CaesarⅡ?yàn)槔渚哂休^為齊全的功能，可對(duì)管道靜力、動(dòng)力進(jìn)行分析，且能對(duì)非線性約束等進(jìn)行綜合考慮，在計(jì)算時(shí)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(dòng)支架、固定支架等對(duì)管道的約束，便于計(jì)算模型應(yīng)用?；瑒?dòng)支架受約束與不受約束的位移需合理設(shè)置，前者定為零，后者則有較強(qiáng)的自由性。技術(shù)人員必須控制好計(jì)算分析全過程，確保各項(xiàng)參數(shù)、細(xì)節(jié)等都能符合要求，提升管道應(yīng)力分析效果，確保管道在實(shí)際應(yīng)用中的安全性與可靠性[4]。

4 管道應(yīng)力分析的安全評(píng)定以及其他要點(diǎn)

4.1 安全評(píng)定

管道自身及管道與其他設(shè)備相連接的安全性與穩(wěn)定性是安全評(píng)定的關(guān)鍵所在。為確保支吊架的安全性，要在設(shè)計(jì)期間對(duì)承載能力進(jìn)行合理分析，確保土建結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的安全性與穩(wěn)定性。安全評(píng)定工作的有效開展十分重要，只有保證各項(xiàng)條件能滿足規(guī)定要求，才能讓管道自身、管道與設(shè)備連接處于安全與穩(wěn)定的環(huán)境。通過安全評(píng)定可找到影響管道安全的各項(xiàng)因素，確保管道在運(yùn)行中不會(huì)受到其他環(huán)境或者應(yīng)力的影響。

4.2 其他要點(diǎn)

1）管道初算與調(diào)整。在初算關(guān)系應(yīng)力時(shí)，要調(diào)整好初算結(jié)果，并能通過對(duì)一次應(yīng)力與二次應(yīng)力結(jié)果的查看與調(diào)整，確定計(jì)算結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求，并做好調(diào)整。

2）峰值應(yīng)力。管材局部受力而附加于一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的增量是峰值應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)讓管道出現(xiàn)疲勞破壞。要求在分析時(shí)，對(duì)管道工作參數(shù)等進(jìn)行明確。處于冷狀態(tài)時(shí)，對(duì)于一般熱力管道，疲勞強(qiáng)度是峰值應(yīng)力限定的主要手段；處于熱狀態(tài)時(shí)高溫材料強(qiáng)度是峰值應(yīng)力限定的手段。在具體應(yīng)用中，可選擇兩個(gè)較小值，峰值應(yīng)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(yīng)力分析中失重是可能會(huì)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(dāng)存在水平管道跨距不均勻情況時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)失重。為消除失重問題，可采取調(diào)整吊架跨距的方式予以解決。

4）對(duì)設(shè)備接口的推力（彎矩）超載。當(dāng)推力（彎矩）超出允許范圍后，就會(huì)破壞設(shè)備，對(duì)機(jī)組運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生影響，所以需做好相應(yīng)的處理。（1）當(dāng)推力在垂直方向過大時(shí)，就要對(duì)相應(yīng)支吊架的荷重進(jìn)行分析，對(duì)推力進(jìn)行控制。（2）推力在水平方向過大時(shí)，可將相應(yīng)的限位支架裝設(shè)在距離端點(diǎn)一定距離的位置，對(duì)推力進(jìn)行阻隔。（3）作用力矩過大時(shí)，要對(duì)力矩方向與變形方向進(jìn)行分析，為減小力矩需采用產(chǎn)生力矩的限位裝置進(jìn)行處理。

5）應(yīng)力結(jié)果不滿足。對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)力范圍要予以確定。一次應(yīng)力范疇屬于持續(xù)荷載、偶然荷載作用，一次應(yīng)力不合格要調(diào)整支吊架間距；二次應(yīng)力范疇為熱脹冷縮、端點(diǎn)約束力，當(dāng)二次應(yīng)力不合格時(shí)，要改變支吊架類型，對(duì)管系進(jìn)行重新布置。

5 結(jié)語

在熱力管道應(yīng)力分析時(shí)，要注意的點(diǎn)較多，要求能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并能明確其分析要點(diǎn)，確保分析工作有效進(jìn)行。工業(yè)項(xiàng)目熱力管道應(yīng)力分析，能及時(shí)了解管道存在的安全問題，并予以處理，確保日后管道運(yùn)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(yùn)行。