对锅炉汽水管道应力的计算研究

廉 平，冯婷婷

（黑龙江省林业设计研究院，哈尔滨 150080）

对锅炉汽水管道应力的计算研究

廉 平，冯婷婷

（黑龙江省林业设计研究院，哈尔滨 150080）

文章对锅炉汽水管道的应力进行分析，对锅炉汽水管道的应力计算进行了研究。

锅炉汽水管道；应立计算；研究

蒸汽管道的载荷作用力有多种多样，可通过管道内的介质反应产生力、通过各种管件重量而集中合成力、管道支吊架、来自外界的温度环境所反应出来的应力，等等，这些力都可使管道的外表发生变形。

1　对锅炉汽水管道的应力分析

火力发电厂锅炉汽水管道的工作环境要具备两种条件：第一，有一定的压力。第二，有适宜的温度。以往的计算方法过于复杂，而且准确度低，不能从整体看出管系的分布情况，于是，人们开始利用ANSYS PIPING MODELS方法来进行应力分析。

1.1应力限制的最大范围及其分析

管道的一次应力是受外部支吊架的力和自身产生的重量所影响，且内力和外力必须保持平衡，若是它的重量无限的增加，超过所能承受的力度，则会破坏管道的形体。为了防止管道的承受力超过限度而破裂，要留出适宜的宽裕度。在承受力的同时，或受外界的热胀冷缩而发生的变形属于二次应力。它跟一次应力有所差别，它是通过变形来适应与外力的平衡。若是变形次数过多，也会对管道附件造成损害，因此，要注意应力的循环次数及范围。在我国规定的交变应力的合理次数频数应该为7 000次，若超出这个范围，会加重管道的劳损，甚至破裂。若管道的应力、应变达到或超出上线后，管道材料就有了可塑性。在超出变形范围后，可以把超出的应力作为经过塑性变化后的量度。最大应力的范围只要在2倍以内，就可以得出管道的弹性变化。依据管道应力所承受的应力理论，管道材料在不断循环中发生的变形，长时间后会处于弹性状态。管道的材料、结构若遭到破坏，就可确定其超过自身所承受的两倍的力。应力应变的最大范围不能超过两倍的极限力度，各锅炉厂家在应力计算中应以此为依据。

1.2对管系设计参数及材料参数的分析

对机组的参数计算分析，可以火电厂锅炉为英国拨伯葛动力有限公司制造的亚临界压力自然循环汽包型锅炉为例。该汽轮机型式为亚临界、三缸双排汽、单轴、一次中间再热凝汽式，额定功率为362.5。管系有3个阀门，重量分别为21 500 N、20 000 N、18 000 N。管系共有8个支吊架，其中5处安装弹簧吊架，3处为导向支架。保温材料为硅酸钙，密度220 kg/m3，厚度150 mm。各弹簧吊架所承受载荷、位移等不同数额会对应不同的参数。在15节点时，数量为1，计算位移的x、y、z数值都不同，热态载荷、热位移、刚度、最大载荷、安装载荷参数也不一样。

2　锅炉汽水管道的应力计算

2.1一次应力与二次应力

一次应力是指正应力，属于非自限性，在内压和机械器具的重量之间进行平衡控制。一次应力的管道材料要达到火力发电厂汽水管道应力技术规程和美国ASME标准的弹性要求，均非自限性规定管道工作状态。表现在管道上即由内压、自重等承受的重量都属于这一类。当管道材料的承受范围达到极限后，会发生一系列情况，即产生塑性变形，严重时直接破坏管道。管道计算完成后可以进行验算，确保其安全性和可靠性，一般情况下不会对其验算，只有在特殊的情况下，才会验算。如遭遇8级地震的部位或是周边需要建设厂房时才需要验算。在验算期间，地震所产生的力度不能完全验算在内，取其中的1/2即可。二次应力是指剪应力，结构自身的形体变化和外界的压力连续产生的力的作用，它属于自限性。通常表现为在管道上即由热胀冷缩及位移受约束时所产生的应力，这类应力不会直接破坏管道，但是，可使管道的材料塑性变形、屈服，导致管道的不稳定，从而发生突发的情况。管道的热胀情况发生后，管道的材质受热会出现初始的热应力，当这种应力过高，超出它所承受的范围，就会使管道发生蠕变屈服；另一方面，管道若是处于冷缩的状态下往往会像反方向发展。这是管道的自弹现象，也被称为管道冷紧度的自拉模式。由于在自拉的过程中，它的量度很难把握，它会时而松时而紧，管系在冷缩热胀交替的循环中，它的总量是不会出现太大变化的。在管道应力的计算过程中，往往会发生意想不到的突发情况，因此维持平衡最为重要。

2.2管系应力的计算

管系的应力分析采用ANSYS PIPING MODELSo的方法，管系计算模型的两端分别为汽缸出口、除氧器进汽口，其中包括直管段、阀门、支管段、支吊架包括弹簧吊架和导向支架处理。坐标系的设置为X轴正方向，Y轴正方向为竖直向上，Z轴正方向为锅炉侧指向汽机房侧。按钢材在计算温度下的弹性模量计算，根据管道运行时不同工况分别有按热胀、端点附加位移、热胀冷缩的紧度状况、自身产生的重量和外界连续的荷载力及支吊架对机器的反作用力。

3　结语

分析并研究锅炉厂管道的一次与二次应力的参数分析计算，及对所要计算的应力范围进行控制，避免导致管道的破裂。其结果可为我国锅炉汽水管道的发展打下坚实的理论与实践基础。

［1］王致祥.管道应力分析与计算［M］.北京：水利电力出版社，1983.

［2]唐永进.压力管道应力分析（第二版）［M］.北京：中国石化出版社，2010.

［3]刘纯，陈红冬.锅炉汽水管道应力计算研究［C］//第九届电站金属材料学术年会论文集（第二卷）.2011，48-49.

［4]黎雄.火电厂锅炉汽水管道应力计算研究［J］.现代商贸工业，2010，（8）：73-76.

Research on Stress Calculation of the Boiler Steam Pipe

LIANPing，FENGTing-ting
（Heilongjiang Forestry Designing Institute，Harbin 150080，China）

This paper analyzes the stress ofthe boiler and steampipe，the stress calculation ofthe boiler and steampipe is studied. Key words:Boiler steampipe；Stress calculation；Research

TM621.2

B

1674-8646（2015）07-0089-01