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【分析】| 热管道布置与应力分析探讨

日期: 2018-09-18
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一、前言 

热管道布置会影响热管道的使用效果,而热管道的应力分析也是安装热管道的重要环节之一。因此,我们对热管道布置和应力分析进行研究很有现实意义,研究的结果将能够进一步的提高热管道的使用效果。 


二、热力管道的特性 

热力管道除具有一般内压管道的特性外,管道输送热介质时还具有明显的轴向应力和轴向位移,需正确使用各种管托及采取补偿措施来吸收应力和抵消位移。若没有合理的补偿,管道伸缩会受阻,在管道内部引起很大的内力,会破坏焊缝、引起或加速焊缝应力腐蚀,损坏管件、支架、阀门及仪表一次部件等,因此热力管道的重中之重是热力补偿器和管托的设置和安装。常见的补偿有自然补偿和补偿器补偿。自然补偿的补偿量小且管道产生横向位移大,因此采用补偿器进行补偿是行之有效的途径。 


三、设计的基本原则 

热力管道设计应遵循以下基本原则: 

1、满足工艺要求,达到生产需要; 

2、为安装施工和维修操作与管理提供方便; 

3、创造安全运行环境; 

4、管道走向合理,结构形式与组件组合适当 

5、排列规范有序 

6、合理选择材料,力求经济可靠。 


热力管道区别于其他管道的最大特点是关于它的热应力(即钢材热胀冷缩时产生的力),也称为二次应力。对于常温管道在设计时只作一次应力(即由管道内压和作用于管道的持续外载而在管道内部产生的正应力或剪应力)分析,它是结构为满足静力平衡条件而产生的,当应力达到或超过屈服极限时,材料进入屈服状态,静力平衡条件得不到满足,管道会产生变形直至破坏。而对于热力管道除进行一次应力分析外,更重要的是要重视对二次应力影响的分析和控制,从而保证热力管道的质量与安全。 


四、管道应力分类和任务 

1、应力分类 

管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩和其它位移等载荷作用下,其最大应力往往超过材料的屈服极限,使材料在工作状态下发生塑性变形,另外高温管道的蠕变和应力松弛,也将使管系上的应力状态发生变化。对于不同种类的应力应当区别对待,根据它可能产生的效应和对于破坏所起的作用不同,给与不同的限定。管道上的应力,一般分析一次应力、二次应力和峰值应力三类。


一次应力(Primary Stress)是指由于外加荷载,如压力和重力等的作用而产生的应力。一次应力的特点是:满足与外加荷载的平衡关系,随外加荷载的增加而增加,且无自限性,当其值超过材料的屈服极限时,管道将产生塑性变形而破坏。


管道承受的介质内压、自重、介质重量等持续外荷载而产生的应力属于一次应力。二次应力(Secondary Stress)是由于管道变形受到约束而产生的应力,它不直接与外力平衡,二次应力的特点就是具有自限性,当管道局部屈服和产生小量变形时应力就能降下来。


二次应力过大时,将使管道产生疲劳破坏。在管道中,二次应力一般由热胀冷缩和端点位移引起。峰值应力(Peak Stress)是管道或附件由于局部结构不连续或局部热应力效应(包括局部应力集中)附加到一次应力或二次应力的增量。 


2、管道应力分析的任务 

(一)为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值; 

(二)为了使与管系相连的设备的管日荷载在制造商或国际规范(如NEMASM-23、API-610、API-617等)规定的许用范围内; 

(三)为了使与管系相连的设备管口的局部应力在ASMEV的允许范围内; 

(四)为了计算管系中支架和约束的设计荷载; 

(五)为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移; 

(六)为了优化管系设计。 


五、热管道布置与应力分析 

1、热管道布置 

根据多年来热管道布置与应力分析的经验,尽量依据下述原则布置的管道,其应力较易验算合格,管端推力和力矩较易满足要求。对于平面管系,管道布置应根据现场情况通过设置合适的固定点使管道布置成柔性较大的管系形状,如:“L’’形、“II”形、“S”形、“Z”形、形等。对于立体管系,管道布置应尽量按照“正方体边线”形状布置。如汽轮机进汽主蒸汽管为减少对汽轮机管口的力和力矩,其管道形状常布置成环形形。对于长距离热管系,管道布置应通过设置合适的固定点使管系简化,两固定点间管道采用“II”形、“立体II”形补偿器补偿。 


对管道形状进行布置后,就必须确定管道支吊架的间距、型式。管支吊架间距必须满足两个条件: 

(一)强度条件,管道附件的重量以及其它荷载引起管道产生的弯曲应力不超过许用值。  

公式中,q—管道的单位荷重,kg/m 

W—管道断面抗弯矩   

—管道的环向焊缝系数 

—管材在热态时的基本许用应力,   

(二)刚度条件,即限制管道的挠度值。    

I—管道断面惯性矩, 

根据上述条件确定管道基本跨距为水平直管支吊架间距。对于水平方向改变的管道,其管道支吊架间距为水平直管支吊架间距的0.73倍。管道支吊架有:滑动、导向、固定、弹吊支、刚吊等,支吊架型式的选用视现场情况或应力分析结果而定。对于长管道两固定支架间用II形、立体II形补偿器补偿的固定点最大间距的确定,应根据①补偿器的尺寸;②现场实际情况;③管托、支架、管道间允许的热位移量;④固定点最大允许间距表等方面综合考虑。对于“L”形、“Z”形自然补偿,其臂长应尽量相等,其臂长之和不得大于水平管道固定点最大允许间距的0.7—0.8倍。 


2、管系是否作完整应力分析的判别

经过初步布置的管系,若逐一计算每一根管道的话,必将耗费大量的人工时。一般地,输送非有毒介质的常温管道按照上述方法布置的管道可不作完整应力分析。对能满足下列判别式的管系,也可以不作完整应力分析。  


除此以外的所有管系均需作应力分析,特别是高温、高压管线,与泵、汽轮机、压缩机等连接的热管线。 


3、管道应力分析及管道布置调整 

进行管道应力分析的目的,根据工程上的要求,主要有以下几个方面:

(一)为了使管道应力在规范的许用范围内;

(二)为了使设备管口荷载符合制造商或公认的标准;

(三)为了使与管道连接的容器应力保持在其规定的许用范围内;

(四)为了计算出各种支撑及约束的设计载荷;

(五)为了确定因各种冲击所导致的管道位移;

(六)解决管道动力学问题,如管道的机械振动,流体锤等;

(七)帮助配管优化设计。 


管道应力分析步骤: 

(一)对已经布置好的管系划分计算范围。 

(二)初步决定管道的支吊点型式。对于水平管道常布置为滑动点、吊架等,对有垂直位移的管道常布置为弹簧支吊点,具体确定可通过全弹簧计算确定。 

(三)对管系进行应力分析计算。 

(四)根据管道应力分析结果,对管道布置进行调整,对各支点位置、支点型式进行调整,直至管道应力及管端、各支点作用力及力矩符合要求为止。 

(五)将管端推力和力矩作为外载荷,校核和管端相连的设备、机泵等机械强度,管端的最大推力和力矩应能满足设备安全承受的要求。管端的推力和力矩过大的调整方法有①合适位置加合适量冷紧;②调整管系形状,增大柔性。③管端附近加设导向支架等。 

(六)管道固定点的力和力矩,管系中支点的作用力作为管架的设计依据,提结构设计条件时用。 

(七)管系中各支吊点的作用力、位移量是弹簧支吊架设计的依据。 


六、结束语 

要想提高热管道未来的使用效果,就必须不断的提高热管道的布置水平,不断的研究其应力的要点,只有将两者统筹兼顾起来分析,才能够提高热管道的使用效果。 

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