火电厂热力管道二次应力优化分析

闫晓东

摘  要：对管道应力分析基本荷载工况做了讨论，并建立了管道分析简化模型，对二次应力产生的原因进行了详细的理论分析，明确了Π型弯对减小二次应力的作用。对Π型弯各个参数与二次应力的关系进行了计算对比，其结果对实际管道布置及调整起到一定的指导作用。

关键词：二次应力;应力分析;荷载工况;Π型弯

中图分类号：U173         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）30-0061-03

Abstract： The basic load case for piping stress analysis is discussed in the paper， a simplified model is also built for detail theoretical stress analysis to find out where the secondary stresses come from. According to the analysis， a Π-type bending is significant for the secondary stresses reducing， the different results of the secondary stresses are compared when the shape of the Π-type bending changes， the results are useful in piping arrangement and modification for real work.

Keywords： secondary stresses; stress analysis; load case; Π-type bending

引言

火力发电厂汽水管道应力分析是管道布置过程中不可缺少的一个环节，其主要工作是验算管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力;判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内[1]。因此，管道应力分析不仅仅是简单计算一下管道的应力，它是一个扩展的概念。

一般来讲，管道应力分析可以划分为静态应力分析和动态应力分析两部分[2，3]。在火电厂汽水管道设计过程中，一般針对四大管道等主要管系要求考虑动态荷载对管道的影响，其余部分管道只考虑静态荷载影响。同时，动态分析需要叠加静态分析的结果作为动态分析的最终结果，因此管道静态分析是基础，本文的讨论围绕静态分析展开。

管道静态应力分析中，首先要清楚需要计算的工况，明确分析中可能出现的荷载，只有工况设置合理，所分析的结果才对工程应用有指导意义。工况设置正确后，所得到的静态应力分析结论一般包含以下三方面内容：应力安全、推力和力矩安全、支吊架选型合理。应力安全是指一次应力和二次应力都不应超过对应工况的许用应力，这是应力计算的基本要求，只有应力达标的情况下才有可能进行推力、力矩及支吊架选型的进一步分析、调试。

1 静态应力分析基本工况的设置

1.1 静态荷载

静态荷载指内压、自重、其他外载、热胀、冷缩及位移[1]。其中前三个影响一次应力，后三个影响二次应力。

各荷载的符号可规定如下[4]：

P-内压

W-自重

F-其他外载

T-温度，产生热胀和冷缩

D-位移

内压指管道工作时的设计压力，一般为表压;自重即管道自身重量，包括钢管重量，保温重量和介质重量;其他外载指其他持续外载，即不随时间急剧变化的荷载，如雪载等;温度指管道正常工作时的设计温度;位移指设备管嘴热位移或者相连管道上由于其他原因需要分开计算时连接处的热位移，包括线位移和角位移。

1.2 静态基本荷载工况设置

火电厂中需要应力分析的主要管道一般包含以下内容：主蒸汽系统管道、再热系统管道、再冷系统管道、高压给水管道、中压和低压进汽管道、各级抽汽管道、各级疏水管道、安全阀后排汽管道、凝结水系统管道、中低压给水管道、锅炉定期或连续排污管道、给水再循环管道等。

在实际工程中，这些主要管道一般安装在主厂房内，因此可以不考虑其他持续外载的影响。对于静态分析，可以定义四个基本荷载工况：操作工况、持续工况、热胀工况、结构荷载工况。

L1=W+P+T+D （操作工况）

L2=W+P （持续工况）

L3=L1-L2 （热胀工况）

L4=1.4L2+L3 （结构荷载工况）

操作工况指管道正常工作时的工况;持续工况指管道运行初期的冷态工况，此时没有温度作用，只有自重及内压存在;热胀工况指只考虑温度变化的工况，和温度有关的荷载为T和D，但是此时不能由T+D得出，该工况是反映操作工况中去除持续工况荷载影响后的一种状态;结构荷载主要针对支吊架设计时拉杆强度及根部承受能力进行校核，结构荷载计算时自重荷载应乘以荷载修正系数，荷载修正系数可取1.4[5]。

通过以上工况的组合，我们可以得到静态应力分析所需的所有结果。首先一次应力和二次应力分别通过L2和L3工况得出;对设备管嘴的冷态推力和热态推力可以分别通过L2和L1工况的计算结果得出;对于弹簧选型所需的工作荷载、热位移、结构荷载可分别通过L1、L3和L4得出。

2 管道二次应力优化分析

管道应力优化分析的主要工作是减小管道中的一次应力和二次应力，使一次应力和二次应力的计算结果在各自许用应力范围内。