工业项目热力管道应力分析的难点及要点探析

史晓光

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

1 工业项目热力管道应力分析的重要性

工业项目热力管道应力分析的主要目的是保证管道具有足够的柔性，避免管道在各种因素下发生破坏与变形等问题。热力管道应力分析的主要内容有静力分析和动力分析，比如，在持续荷载下的一次应力计算、管道自振频率分析等。工业项目热力管道应力分析的重要性表现在可对管道安全性进行判断分析，确保管道设计的经济性与合理性，而且能在应力分析下对管道支吊架进行合理布置。热力管道走向为三维空间，由多条主管共同组成，形成多个环形结构，可通过三维立体图的建立，对地应力分析的结构参数进行确定。管道应力分析的步骤如图1所示。

图1 管道应力分析的步骤

将管系布置好之后，需对计算范围进行划分；对道的支吊点型式予以确定，将滑动点、吊架确定为水平管道，管道如果有位移，则要将弹簧支吊点确定为管道的布置要求[1]；分析计算管系应力；管道布置需按照应力分析结果进行调整，调整的主要内容有支点位置等，确保管道应力及管端力矩符合要求时就可以停止；外载荷为将管端推力和力矩，管端的最大推力需符合要求；管架的设计依据为管系中支点的作用力；弹簧支吊架设计的依据是各支吊点的作用力和位移量。

2 工业项目热力管道应力分析的难点

2.1 管系荷载的确定

管道自身所承受的荷载和温度、管系的持续外载、管道内部热力膨胀和端点位移变化、偶然性荷载是管系荷载的4个要点[2]。在工业项目热力管道应力分析期间，需合理确定其荷载，避免这几个问题对管道后期的运行产生影响。

2.2 一次应力分析

在工业项目热力管道应力分析中，一次应力分析是难点，在管道内部压力或机械外部荷载的影响下，出现正应力，将这种应力称之为一次应力。在一次应力分析时，要对管道截面等设置进行合理确定，这就增加了一次分析的难度与控制。

2.3 二次应力分析

二次应力的评定基础是一次应力，其在热胀时会让管道在外力约束下产生应力，需验算比对管道冷热状态下的应力范围。在对二次应力进行分析时，难点是容易忽略管道蠕动与材料屈服时所产生的不同状态。

2.4 技术要求较高

在对工业项目热力管道应力分析期间，要求在操作、分析与计算过程中，技术人员不仅要具备较高的专业素养与较强的实践能力，还能对分析全过程进行有效控制，确保工业项目热力管道应力分析的有效性[3]。

3 工业项目热力管道应力分析的要点

3.1 荷载确定

管系荷载确定对应力分析具有重要意义，管系所受到的荷载主要有4类。

1）压力与温度荷载。热力管道在运行过程中，由于所处压力与温度环境不同，所产生的荷载也不同，所以在对管道应力进行计算时，需对压力与温度荷载进行合理确定，能了解在各类危险工况下热力管道是否能安全运行。

2）持续外载。持续外载由管道基本载荷、支吊架的反力等组成，在应力分析时也要对持续外载予以确定。

3）热胀及端点附加位移。管道在安装完毕后会投入运行，在运行过程中管道内介质温度会发生变化，管道会受到热胀冷缩的影响，容易产生变形。同时，管道与设备在连接过程中，设备会出现温度变化，使管道产生端点附加位移的情况，从而让管道发生变形。

4）偶然荷载。偶然荷载是热力管道设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很长的荷载。工业项目热力管道安装和运输时要对偶然荷载进行考虑：在常温下安装期间，要对内压、持续外载等影响因素进行分析。在不同情况下管道所受到的荷载不同，这时就要对内压、自重等情况下的荷载工况进行确定。

3.2 一次应力分析要点

一次应力的产生会受到多种应力的共同作用，如内压、风荷载等。在工作状态下，管道会出现塑性变形，变形产生的应力较大时，就会对管道造成破坏。所以留下适当的裕度与屈服极限十分重要，这样能避免管道发生变形破坏管道，进而造成不可挽回的损失。使用极限法校核一次应力，且要将其控制在管道许用范围内。管道截面、荷载等设置会影响其大小。一次应力分析时，要求在工作状态下，要对管道内压缩产生的折算应力进行判断，不能超过钢材在设计温度下的许用范围。内压折算成的应力计算见式（1）：

式中，σZS为内压折算成的应力；p为管道设计压力；DW为管道外径；S为管道壁厚；C1为验算时的管子壁厚附加值；η为许用应力的修正系数。

3.3 二次应力分析要点

在自身连续变形或者受外部约束时管道所生成的正应力，本身不会直接与外力相平衡。变形应力会在管道的热胀、冷缩等情况下引起。这种应力如果长期存在，会危害管道安全性与稳定性，最终管道会在局部屈服与小量塑性变形影响下，出现疲劳破坏。在热状态下，管道的初始热应力当达到设定限定数值时，应力下降情况比较明显；但当管道处于冷状态时，这种情况就会截然相反。管道的冷紧缩属于自拉，但在实际应用中自拉量无法有效确定。在计算分析时，可使用全补偿值，20℃下的钢材弹性模量，可确定应力范围。为确保分析方法的可靠性与合理性，需要对蠕变的热胀应力、屈服时所产生的拉力进行分析。二次应力最为明显的特征是自限性，管道在温度的影响下在热胀时产生荷载，进而产生应力，但应力并不会一直增大，在热胀变形过程中部分应力会被释放。热胀是二次应力分析时必须关注的要点。管材的热胀应力范围的计算见式（2）：

式中，σ∈为热胀应力范围；[σ]20为钢材在20℃时的许用应力；[σ]t为钢材在设计温度下的许用应力；Mc为按全补偿值和钢材在20℃时的弹性模量计算，热胀引起的合成力矩范围；σL为管道在工作状态下，轴向应力之和（内压+其他持续外载）；f为热胀应力范围的减小系数；i为应力增加系数；W为管道抗弯截面系数。

3.4 技术控制要点

由于热管道应力分析具有较强的技术性与专业性，所以要求技术人员必须具有较高的综合素养与能力。而且需针对分析情况，能做好各方面控制。如需合理选择计算软件，可选择CaesarⅡ、Triflex等软件。以CaesarⅡ为例，其具有较为齐全的功能，可对管道静力、动力进行分析，且能对非线性约束等进行综合考虑，在计算时发挥着不可替代的作用。

边界条件与约束处理也十分重要，要做好参数控制，并能确保边界条件和约束与现场情况相一致。要简化滑动支架、固定支架等对管道的约束，便于计算模型应用。滑动支架受约束与不受约束的位移需合理设置，前者定为零，后者则有较强的自由性。技术人员必须控制好计算分析全过程，确保各项参数、细节等都能符合要求，提升管道应力分析效果，确保管道在实际应用中的安全性与可靠性[4]。

4 管道应力分析的安全评定以及其他要点

4.1 安全评定

管道自身及管道与其他设备相连接的安全性与稳定性是安全评定的关键所在。为确保支吊架的安全性，要在设计期间对承载能力进行合理分析，确保土建结构具有较强的安全性与稳定性。安全评定工作的有效开展十分重要，只有保证各项条件能满足规定要求，才能让管道自身、管道与设备连接处于安全与稳定的环境。通过安全评定可找到影响管道安全的各项因素，确保管道在运行中不会受到其他环境或者应力的影响。

4.2 其他要点

1）管道初算与调整。在初算关系应力时，要调整好初算结果，并能通过对一次应力与二次应力结果的查看与调整，确定计算结果是否满足设计要求，并做好调整。

2）峰值应力。管材局部受力而附加于一次应力或二次应力的增量是峰值应力，这种应力会让管道出现疲劳破坏。要求在分析时，对管道工作参数等进行明确。处于冷状态时，对于一般热力管道，疲劳强度是峰值应力限定的主要手段；处于热状态时高温材料强度是峰值应力限定的手段。在具体应用中，可选择两个较小值，峰值应力范围限定需满足一定条件，要求≤1.25（[σ]20+[σ]t）。

3）支吊架失重。在应力分析中失重是可能会遇到的问题。不同自重弯矩是出现这种情况的主要原因。当存在水平管道跨距不均匀情况时，就会出现失重。为消除失重问题，可采取调整吊架跨距的方式予以解决。

4）对设备接口的推力（弯矩）超载。当推力（弯矩）超出允许范围后，就会破坏设备，对机组运行会产生影响，所以需做好相应的处理。（1）当推力在垂直方向过大时，就要对相应支吊架的荷重进行分析，对推力进行控制。（2）推力在水平方向过大时，可将相应的限位支架装设在距离端点一定距离的位置，对推力进行阻隔。（3）作用力矩过大时，要对力矩方向与变形方向进行分析，为减小力矩需采用产生力矩的限位装置进行处理。

5）应力结果不满足。对应力计算结果进行分析，对应力范围要予以确定。一次应力范畴属于持续荷载、偶然荷载作用，一次应力不合格要调整支吊架间距；二次应力范畴为热胀冷缩、端点约束力，当二次应力不合格时，要改变支吊架类型，对管系进行重新布置。

5 结语

在热力管道应力分析时，要注意的点较多，要求能及时发现问题，并能明确其分析要点，确保分析工作有效进行。工业项目热力管道应力分析，能及时了解管道存在的安全问题，并予以处理，确保日后管道运行的安全性；避免管道出现变形、位移等各种问题，影响管道的正常运行。