关于热力管道布置与应力计算思考分析

程为民

【摘要】 热力管道布置的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况：因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；管道接头处泄漏；管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏。因主蒸汽管道、主给水管道设计在热力管道布置与应力计算分析中比起其它汽水管道来更具有代表性，因此本文主要以这两种管道的设计来进行论述。

【关键词】管道布置；应力计算；受力分析

一、引言

本文根据作者多年来所参与的热电厂施工图中主要汽水管道——主蒸汽、主给水等管道的设计，针对采用自然补偿的热力管道，其设计过程中管道的布置与应力计算进行论述，以供大家在热力管道的设计中作为参考。

二、管道布置

热力管道的布置应尽量利用其自然补偿能力，其主要原则是：调整管道的走向，以增加整个管道的柔性；利用弹簧支吊架放松约束；改变接口设备布置；对于复杂管道可用固定点将其划分成几个形状较为简单的管段，如L形、Ⅱ形、Z形等管段；确定管道固定点位置时，使两固定点之间的管段能够自然补偿。

1.管道的荷载

管道荷載包括：重力荷载，包括管道自重、保温重、介质重、积雪重等；压力荷载，包括内压力和外压力；位移荷载，包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移等。

2.管道端点的附加位移

在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移；设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。

3.管道支吊架间距

管道支吊架间距的确定实际上就是管系承重支吊架的位置和数量的确定。对于水平连续敷设并承受均布载荷（指管道自重、介质重、隔热材料重、积雪重之和）的管道，分别根据刚度条件和强度条件计算其最大允许间距，取两者之间的最小值。

4.管道支吊架的型式

管道支吊架的用途为：承受管道的重量荷载；限制管道的位移，阻止管道发生非预期方向的位移；用来控制管道的振动、摆动或冲击。根据管道支吊架的用途可以分为两类：承重支吊架，限位支吊架。承重支吊架又分为刚性支吊架、可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架三类。限位支吊架又可分为固定支架、导向支架和止推支架三种。

5.支吊架的位置确定

不同的支吊架型式对生根条件有不同的要求，而从保障管系的自身强度、稳定性、防振以及对边界条件的要求来说，总存在着在管系的某个地方支撑、并以特定的支架型式支撑为最理想。

三、应力计算

进行应力计算的目的是：使管道应力在规范的许用范围内；使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准；计算出作用在管道支吊架上的荷载。

1.管道应力计算的方法

管道应力计算的方法有：目测法、图表法、公式法和计算机分析方法。目前，电厂内主要汽水管道的应力计算推荐采用计算机分析方法。

2.对管系进行分析计算

进行计算机应力计算时，要建立计算模型，编制节点。其中包括：管道端点、管道约束点、支撑点、给定位移点；管道方向改变点、分支点；管径、壁厚改变点；存在条件变化点（温度、压力变化处）；定义边界条件（约束和附加位移）；管道材料改变处（包括刚度改变处，如刚性元件）定义节点的荷载条件（保温材料重量、附加力等）。

（一）初步计算

输入原始数据进行计算，其过程和结果如下：利用计算机推荐工况；弹簧可由程序自动选取；计算结果分析；查看一次应力、二次应力的核算结果；查看冷态、热态位移；查看设备受力；查看支吊架受力（垂直荷载、水平荷载）；查看弹簧表。

（二）应力分析

反复修改直至计算结果满足标准规范要求。计算结果不满足要求可能存在的问题，根据下列情况做相应修改：一次应力超标，缺少支架；二次应力超标，管道柔性不够或三通需加强；冷态位移过大，缺少支架；热态水平位移过大，缺少固定点或Ⅱ型；设备受力过大，管道柔性不够；固定、限位支架水平受力过大，固定、限位支架位置不当或管道柔性不够；支吊点垂直力过大，可考虑采用弹簧支吊架；弹簧荷载、位移范围选择不当，人为进行调整。

四、主蒸汽、主给水管道的设计

从以上的论述，我们大致了解了热力管道设计时与管道布置、应力计算相关的内容，下面就具体的管道设计进行分析。

1.主蒸汽管道设计

主蒸汽管道设计时，根据接口的位置，确定管道的大致走向。管道布置应靠近锅炉钢梁、土建梁柱与平台，以方便支吊架的设置。

2.主给水管道设计

主给水管道布置时，首先按照各接口位置进行初步布线，在母管上要设置Ⅱ型布置以补偿热位移、减小固定点受力，在高加进出口要设置L、Z型布置来减小接口热态位移及受力。然后按照主给水的流量和参数确定各管段的材质和规格。根据不同管段上的重力荷载计算出支吊架的间距，在管线上添加支吊架。

管道支吊架设置完成后，可使用三维管道软件生成应力计算原始程序。在此过程中要注意的是，需输入给水泵进出口、高加进出口、省煤器进口的热态附加热位移，需要显示力与力矩的接口设置等。然后进行应力计算，根据计算结果调整管道的布置，其中包括：调整给水泵进、出口管道上的弹簧以满足对设备接口处受力及力矩要求，对于冷、热态位移均为零的弹簧吊架改为刚性吊架，对于失重的刚性支吊架应改为弹簧支吊架。

五、结论

管道布置和应力计算是热力管道设计中比较重要的两个方面，合理的管道布置是汽水管道的设计中，主蒸汽、主给水管道的设计在管道布置、应力计算分析上得到了较全面的体现，上述的各个方面在具体设计时都有所涉及。正确掌握这两个方面是做好主蒸汽、主给水管道设计的必要条件，同时也是做好其它汽水管道设计的要求。

参考文献：

1.火力发电厂汽水管道设计技术规定[M].中国电力出版社.