火电厂管道螺纹吊杆最大使用荷载计算研究

刘立成，陈国强，郑冠捷，黄兴宇

(西北电力设计院， 陕西 西安 710075)

火电厂管道螺纹吊杆最大使用荷载计算研究

刘立成，陈国强，郑冠捷，黄兴宇

(西北电力设计院， 陕西 西安 710075)

火电厂管道螺纹吊杆最大使用荷载是设计和选择螺纹吊杆的重要依据，然而现有的相关规定给出的结果并不相同，造成在相同设计条件下选择的螺纹吊杆规格并不相同，影响了螺纹吊杆的准确设计和选择。为规范螺纹吊杆的设计和选择，确保火电厂的安全和经济运行，对螺纹吊杆最大使用荷载的相关问题进行了分析和探讨。分析和探讨了与螺纹吊杆最大使用荷载有关的螺纹根部截面积计算方法、许用应力确定以及材质选择等问题，并给出了相应的措施和建议。分析和研究了螺纹吊杆最大使用荷载计算方法，基于许用应力法给出了螺纹吊杆最大使用荷载计算结果。

火电厂；螺纹吊杆；最大使用荷载；许用应力。

火电厂管道螺纹吊杆是管道系统的一个重要组成部分，目前广泛地应用于火电厂管道支吊架系统。螺纹吊杆作为管道支吊架系统的中间连接部件，主要起着承受管道荷载的作用，极大地影响管道和和相连设备安全稳定运行，因此需要重视螺纹吊杆的设计工作。螺纹吊杆的设计内容包括螺纹吊杆规格选择和材质确定等，结合工程实际情况和设计条件选择合适的螺纹吊杆，保证在各种工况下螺纹吊杆计算应力均不超过螺纹吊杆许用应力，防止螺纹吊杆发生破坏，确保火电厂管道和和相连设备安全稳定运行。

火电厂螺纹吊杆最大使用荷载是选择和设计螺纹吊杆的重要依据，可以通过强度计算进行设计和确定。螺纹吊杆强度计算是螺纹吊杆设计计算中的一项重要内容，通过强度计算可以确保螺纹吊杆具有足够的强度，满足相应的设计条件要求。火电厂管道螺纹吊杆强度计算方法采用许用应力法，其主要设计参数有螺纹吊杆根部截面积、许用应力以及材质等。火电厂管道螺纹吊杆强度计算的主要依据是DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》以及GB/T 17116-1997《管道支吊架》等规定中的相关内容。由于DL/T 5054-1996未直接给出螺纹吊杆最大使用荷载，仅规定了强度计算的基本原则，因此不利于螺纹吊杆设计和选择。尽管GB/T 17116-1997给出了螺纹吊杆最大使用荷载，由于没有明确给出相应的使用条件，因此也影响了螺纹吊杆的准确设计和选择。由于DL/T 5054-1996和GB/T 17116-1997关于螺纹吊杆的主要设计参数的规定存在不一致的情况，因此计算和给出的螺纹吊杆最大使用荷载并不相同，造成在相同设计条件下螺纹吊杆的规格并不相同，导致螺纹吊杆的设计和选择出现较大争议，直接影响了火电厂管道安全和经济运行。为合理和准确地确定螺纹吊杆最大使用荷载，本文对螺纹吊杆相关设计参数的确定和选择进行了分析和研究，为相关规定的制定提供理论依据，以规范和指导螺纹吊杆设计工作，确保螺纹吊杆设计经济合理和运行安全可靠。

1 螺纹吊杆最大使用荷载计算方法

火电厂管道螺纹吊杆最大使用荷载通过强度计算进行设计和确定。螺纹吊杆强度计算方法采用许用应力法。许用应力法是以经典的材料力学强度理论为基础的结构强度计算方法。许用应力法的设计准则是结构在最大使用荷载作用下所求得的结构件的计算应力σ不得大于相应的许用应力 [σ]。许用应力法表达式为：

式中：σ为计算应力，由最大使用荷载计算得

到；[σ]为许用应力。

根据DL/T 5054-1996以及GB/T 17116-1997的相关规定，要求螺纹吊杆强度应按螺纹根部截面积计算，以满足螺纹吊杆的强度要求。基于许用应力法的设计准则和表达式，螺纹吊杆最大使用荷载可按下式计算：

式中：Fmax为螺纹吊杆最大使用荷载，kN；

AS为螺纹吊杆根部截面积，mm2。

2 螺纹吊杆根部截面积计算方法

火电厂管道螺纹吊杆根部截面积是影响螺纹吊杆最大使用荷载计算结果的主要设计参数之一，应按相关规范进行计算。DL/T 5054-1996未给出螺纹吊杆根部截面积具体计算公式，导致无法准确计算螺纹吊杆根部截面积，最终影响螺纹吊杆最大使用荷载计算。虽然GB/T 17116-1997给出了螺纹根部截面积数值，但未考虑螺纹吊杆精度等级方面的影响和没有给出相应的使用条件，不利于螺纹吊杆根部截面积的实际应用，很容易造成螺纹吊杆根部截面积误用，影响螺纹吊杆最大使用荷载计算结果准确性。

美国MSS SP-58-2002《管道支吊架-材料、设计和制造》中的相关内容也给出了螺纹根部截面积数值，并详细说明了数据应用的前提条件和要求。MSS SP-58-2002相关规定表明M10-M48等级螺纹吊杆根部截面积数据是基于6g标准粗螺纹的最小根部直径计算得到的，其最小根部直径具体数据取自ASME B1.13M《M齿形m制螺纹》。本文主要参照MSS SP-58-2002和ASME B1.13M的相关规定，并结合GB/T 192-2003《普通螺纹基本牙型》、GB/T 197-2003《普通螺纹公差》以及GB/T 2516-2003《普通螺纹极限偏差》等的规定，给出螺纹根部截面积计算方法，具体按下式计算：

式中：d3为最小直径，mm，按式(4)计算。

式中：d为螺纹吊杆公称直径，mm；P为螺距，mm；es为螺纹吊杆直径上偏差，mm；Td2为螺纹吊杆中径公差，mm。

如果螺纹吊杆精度按6g级设计，利用公式(3)和(4)可以计算出螺纹吊杆根部截面积，具体见表1。表1中螺纹吊杆直径上偏差和中径公差数据取自GB/T 197-2003。

表1 螺纹吊杆根部截面积

3 螺纹吊杆材质选择

火电厂管道螺纹吊杆材质应根据工作温度选择，不允许采用Q235A和Q345A。工作温度按GB50019-2003《采暖通风与空气调节设计规范》的相关规定计算和选取。室内管道的工作温度根据夏季通风室外计算温度及其与工作地点的允许温差计算确定。室外管道的工作温度采用最低日平均温度，具体数据见《暖通空调气象资料集》。工作温度与根部钢结构材质关系见表2。

表2 工作温度与螺纹吊杆材质

火电厂管道螺纹吊杆材质的选择主要取决于螺纹吊杆直径以及与其它连接件的匹配性两个因素。由于直径大于64mm的Q235B材质的圆钢材料不均匀增加，其性能下降较多，所以直径大于64mm螺纹吊杆材质应选择20或Q345B。由于与螺纹吊杆连接的连接件为成熟和典型产品，为减少与螺纹吊杆连接的连接件品种，保证螺纹吊杆与连接件顺利匹配连接，因此确定在工作温度大于0℃的条件下螺纹公称直径小于48mm螺纹吊杆材质采用Q235B，螺纹公称直径大于等于48mm螺纹吊杆材质采用20。

4 螺纹吊杆许用应力确定

火电厂管道螺纹吊杆许用应力是影响螺纹吊杆最大使用荷载计算结果的另一个重要设计参数。DL/T5054-1996附录A.1中明确在20℃下的Q235钢许用应力值取124MPa ，结合DL/T5054-1996中7.5.3条规定：螺纹吊杆许用应力为附录A.1所列数值的0.56倍，所以可以确定螺纹吊杆许用应力为69.4MPa。然而在GB/T 17116-1997中又规定在20℃下的Q235钢许用应力值取83MPa，结合GB/T 17116-1997中5.3.6条规定：对于螺纹拉杆的许用应力应在上述基础上降低25%，所以可以确定螺纹吊杆许用应力为62MPa。显然DL/T5054-1996和GB/T 17116-1997关于Q235钢许用应力选取和螺纹吊杆许用应力减弱系数取值不同，存在明显的矛盾，导致螺纹吊杆许用应力选择和确定出现了较大争议，直接影响螺纹吊杆设计和选择。

针对Q235钢许用应力选取出现的问题，中国电力规划设计协会于2009年9月11日组织专家在上海召开了支吊架材质许用应力讨论会。根据会议纪要内容，对于采用国内钢材设计制造的支吊架零部件材质的许用拉应力按DL/T5054-1996相关规定计算，且Q235B材质的许用应力应乘0.9的质量系数。根据上述规定，可以确定Q235B钢在20℃下的许用应力值取111.6MPa，20钢在20℃下的许用应力值取131MPa。

参照MSS SP-58-2002的相关规定，并结合螺纹吊杆实际运行情况，确定螺纹吊杆的许用应力减弱系数取0.75，因此最终可以确定材质为Q235B钢的螺纹吊杆许用应力为83.7MPa，材质为20钢的螺纹吊杆许用应力为98.25MPa。

5 螺纹吊杆最大使用荷载对比分析

火电厂管道螺纹吊杆螺纹精度按6g级考虑，工作温度按20℃。依据上述设计条件以及结合上述给出的螺纹吊杆最大使用荷载计算公式和相关设计参数结果，可以得到螺纹吊杆最大使用荷载，具体计算结果见表3。需要说明的是表3中最大使用荷载并不是实际计算结果，为保持螺纹吊杆与相关连接件顺利连接，对最大使用荷载计算结果进行了圆整。为方便和直观地对本文和GB/T 17116-1997中给出的螺纹吊杆最大使用荷载、根部截面以及材质进行对比分析，所以将GB/T 17116-1997中相关数据见表3。

表3 螺纹吊杆最大使用荷载对照

从表3可以看出，本文给出的每种螺纹吊杆根部截面积小于GB/T 17116-1997提供的螺纹吊杆根部截面积，约为GB/T 17116-1997的95%左右。这是因为本文在计算螺纹吊杆根部截面积时考虑螺纹吊杆偏差的影响，而GB/T 17116-1997仅按螺纹吊杆基本小径设计，未考虑偏差的影响。为方便与其它连接件匹配，本文设计的公称直径为48～64的螺纹吊杆材质为20钢，而GB/T 17116-1997采用Q235B。由于本文和GB/T 17116-1997采用的螺纹吊杆根部截面积以及许用应力差别较大，导致螺纹吊杆最大使用荷载差别较大。为规范和指导螺纹吊杆设计工作，减少电厂的投资成本，提高电厂运行经济性，建议GB/T 17116-1997在今后修编时重新计算螺纹吊杆最大使用荷载。

6 结论及建议

(1)基于许用应力法给出了火电厂管道螺纹吊杆最大使用荷载计算方法。

(2)在螺纹吊杆精度按6g级前提条件下，给出了螺纹吊杆根部截面积计算方法。

(3)建议GB/T 17116-1997详细注明螺纹吊杆根部截面积使用条件，并给出螺纹吊杆根部截面积计算方法，以利于螺纹吊杆根部截面积的准确计算。

(4)规定了火电厂管道螺纹吊杆许用应力计算原则，以正确计算螺纹吊杆强度，选择合适的螺纹吊杆，以提高电厂运行经济性和安全性。

(5)建议DL/T5054-1996和GB/T 17116-1997统一火电厂管道螺纹吊杆许用应力计算原则，确保螺纹吊杆许用应力计算结果一致性。

[1]林其略，等．管道支吊技术[M]．上海：上海科学技术出版社，1994．

[2]林毓锜，等．材料力学[M]．西安：西安交通大学出版社，1994．

[3]DL/T5054-1996，火力发电厂汽水管道设计技术规定[S]．

[4]GB/T 17116-1997，管道支吊架[S]．

[5]MSS SP-58-2002，管道支吊架-材质、设计和制造[S]．

[6]ASME B1.13M，M齿形米制螺纹[S]．

[7]GB/T 192-2003，普通螺纹基本牙型[S]．

[8]GB/T 197-2003，普通螺纹公差[S]．

[9]GB/T 2516-2003，普通螺纹极限偏差[S]．

Calculation of Most Using Load of Pipeline Whorl Steeve in Thermal Power Plant

LIU Li-cheng, CHEN Guo-qiang, ZHENG Guan-jie, HUANG Xing-yu
(Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China)

The maximum safe load has been used to design and select pipe threaded hanger rods of the thermal power plant, however its calculation result is different in the existing relational provisions , therefore threaded hanger rods speci fi cation is different under the same design condition , design and selection of pipe threaded hanger rods have been effected . In order to standardize design of threaded hanger rods , insure economy and security of the thermal power plant , some questions that are relational to the maximum safe load of threaded hanger rods have been analyzed and discussed . The problems including hanger rods root area , material selection and allowable stress certainty that are relational to the maximum safe load of pipe threaded hanger rods have been analyzed and discussed , the relevant measures and suggests have been provided . The calculation method of threaded hanger rods has been analyzed and studied , the calculation result based on allowable stress method has been provided .

thermal power plant; threaded hanger rods; maximum safe load; allowable stress.

TM621

B

1671-9913(2011)03-0043-05

2011-01-27

刘立成(1973- )，男，工程师，从事火力发电厂热机设计和研究工作。