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压力管道的管道热力学计算及其方法随着现代工业的发展，管道在工业生产中的应用越来越广泛。
而在高压、高温等特殊环境下，为了保证管道安全性和可靠性，需要对其进行管道热力学计算。
本文将介绍压力管道的管道热力学计算及其方法。
一、管道热力学基本理论管道热力学是一门多学科交叉的学科，其理论基础主要包括热力学、流体力学、传热学、材料力学等学科。
在研究压力管道的管道热力学时，需要了解以下几个基本概念：1、管道中的热传导：管道中的热传导是指热量沿着管道从高温区传递到低温区的过程。
其传导速率受到管道材料、管道直径、管道长度和温度差等因素的影响。
2、管道中的热对流：管道中的热对流是指通过流体介质进行的热量传递。
在管道内部的流体介质受到内外界温差的作用下，会产生对流现象。
3、热辐射和外部热源：在管道的热力学计算中，还需要考虑热辐射和外部热源的影响。
热辐射是指由于管道表面温度高于周围环境温度而产生的热辐射。
外部热源是指管道表面受到太阳辐射等外部因素的影响而产生的热量。
二、管道热力学计算方法在进行管道热力学计算时，需要选择适当的计算方法。
常见的计算方法包括：1、解析方法：解析方法是指对管道的边界条件进行分析并解求解方程。
解析方法有很高的精度，但适用于较简单的情况，对于复杂的管道热力学计算则不太适用。
2、实验方法：实验方法是指通过实验测量来得到管道内部的温度等参数。
实验方法的优点是可以获得准确的数据，但其缺点在于实验时间长、费用高，且受到实验环境和设备等因素的影响。
3、数值模拟法：数值模拟法是指利用数学模型和计算机算法对管道的热力学进行模拟计算。
数值模拟法可以较好地模拟各种情况下的管道热力学，但需要选择合适的模型和算法，并需要保证计算精度。
三、管道热力学计算实例以一根长度为10m、外径为0.1m、壁厚为0.008m的钢制压力管道为例。
假设其内部介质为蒸汽，流速为20m/s，压力为10MPa，温度为400℃，外部环境温度为20℃，管道表面发射率为0.8。
热力管道设计中的应力分析本文对热力管道应力分析的重要性进行了简要阐述，并在此基础上，提出了热力管道应力分析的一般模式以及对管道应力分析中可能遇到的问题进行了归纳，并对解决这些问题的方法进行了相关讨论。
标签：热力管道;应力分析;荷载1 引言随着火力发电机组容量的增大，主蒸汽管道、再热蒸汽管道、主给水管道等热力管道的设计参数不断提高，管径及壁厚也随之加大，管道应力分析也受到越来越多的重视，有些投资方对设计单位的应力计算提出明确要求。
热力管道的应力，主要是由管道承受的内压、外部荷载、偶然荷载以及热膨胀等因素引起的，管道在这些荷载作用下的应力状态十分复杂。
进行应力分析与计算，是研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，从而判断管道的安全性，进而满足所连接的设备对管道推力（矩）的限定，同时使管道设计尽可能经济合理。
管道应力分析是热力发电厂管道工程设计的基础，对整个工程而言，通过应力分析可以优化配管、合理布置管道支吊架，以使弹簧、补偿器等管道配件方面的投资及土建投资更加合理化。
2 管道应力分析一般而言，热力管道管系多为三维空间走向，由一条或多条主管及数条支管组成，有些管系甚至会含有一个或多个环行结构。
在进行应力分析之前需根据管道走向建立管道应力分析的三维立体图，从而确定应力分析的结构参数。
2.1管系荷载的确定管系所承受的荷载大致可以分为四类：（1）压力及温度荷载：热力管道可能在几种不同的压力和温度条件下运行，在计算时应根据实际情况确定最不利的一组压力和温度条件，以便计算管道在最危险工况下的能否满足条件。
（2）持续外载：包括管道基本载荷（管子及其附件的重量、管内介质重量、管外保温的重量等）、支吊架的反力、以及其它集中和均布的持续外载。
（3）热胀及端点附加位移：管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质的温度变化，热胀冷缩使管道发生形变;与设备相连接的管道，由于设备的温度变化而出现端点附加位移，从而对管道产生约束，使管道发生形变。
- 110 -工 程 技 术0 引言供热工程在调试、运行过程中，室温经常无法符合设计要求，即热源近端用户室内温度过高，而远端用户则出现室内温度不达标的情况。
其主要原因往往是水系统各并联环路之间出现严重水力失衡的情况，导致末端换热设备的供热量大幅偏离设计条件，进而影响室温调节。
为保证末端用户的供热效果，后期运维人员常采取提高二次热水温度，或提升水泵扬程的方法。
上述做法虽能解决用户供热需求，却同时带来热源效率降低、热媒输配功耗增加等一系列问题。
笔者在参与住宅供暖项目设计时发现，小区二次供热管网设计一般都滞后于单体供暖施工图，且由不同设计人员来完成，设计人员往往会忽视各并联水环路的资用压头，仅按最大允许流速、经济比摩阻直接确定管径，确定单体热力入口处平衡阀规格时，要直接按接管管径选型。
大量工程案例表明，按上述错误的设计做法，仅依靠后期调试很难实现水力平衡，无法使每个房间的实际散热量与设计供热量相匹配。
因此，笔者以某住宅小区供暖工程为例，浅谈设计过程中热水管网水力平衡的计算与设计。
1 相关规范条文文献[1]第5.9.11条：“室内热水供暖系统的设计应进行水力平衡计算，并应采取措施使设计工况时各并联环路之间（不含共用段）的压力损失相对差额不大于15%。
”当双管系统并联环路之间的压力损失相对差额不大于15%时，最大流量偏差可控制在8%左右，平均水温及散热量偏差可控制在2%左右[3]，可保证供暖系统的运行效果。
文献[2]第5.3.6条：设计室内热水供暖系统时，应计算水力平衡，并采取控制措施，使设计工况下各并联环路之间（不含公共段）的压力损失差额不大于15％；在计算水力平衡时，要计算水冷却产生的附加压力，其值可取设计供、回水温度条件下附加压力值的2/3。
2 计算公式及原理热水供暖系统中计算管段的压力损失计算如下[4]。
'''P P P d l y iO UX ]UX 2222（1）式中：∆P —计算管段的压力损失，Pa ；∆P y —计算管段的沿程损失，Pa ；∆P i —计算管段的局部损失，Pa ；λ—管段的摩擦阻力系数；d —管段内径，m ；l —管段长度，m ；ρ—热水的密度，kg/m 3；υ—热水流速，m/s ；ζ—局部阻力系数，常用管道配件可参考文献[3]。
热力管道设计中的应力分析摘要：在对热力管道的工程方案设计中，进行分析时要充分考虑管线中的应力变化，在对应力分析的过程中对可能存在的问题加以总结，最后给出了有关在热力管线工程设计中相应的处理对策，并对具体的对策进行了讨论与剖析。
关键词：热力管线；应力分析；压力引言热力管线工程设计中，主要的应力范围包括管线的内部和外面以及由于压力变化所导致的膨胀等，因此在热力管线工程设计中应力是相对地较为繁琐繁杂的，而在对应力分析进行参数测算时也需要充分考虑管线所遭受的不同外界环境产生的应力的影响，及其对热力管线的正常使用所产生的限定影响。
1管道应力分析在热管设计中，一般都会有很多分支结构，有些分支结构是由很多环形结构构成的，一般都是按照三维方向来设计的，所以在热管的应力分析中，首先要考虑到热管内部的走向，然后再根据三维设计来计算。
1.1管系荷载的确定管系所承担的荷载一般可分成四种：（1）第一类的热力管线工程设计中管网本身所承担的荷载与工作温度，热力管线在工作中所承担的压力与工作温度荷载是不同的，通过热力管线的参数测算后确定最不利的一组加以处理，避免以后由于上述问题妨碍了热力管线的正常工作[1]。
（2）第二类是管系的承载力，它的内容包括：管内承受的基本载荷，管自身的自重，管中的外力和内力，以及其它的载荷。
（3）第三类是管线内的温度应力膨胀和端点位置变化，热管线在架设和运营过程中受到管道的高温变化，从而使管线内热胀冷缩变化，由于在热力管线内受到高温荷载的状态下，管线边界和设备终端会因为高温的改变而产生偏移，所以需要对热力管线端点位置变化加以控制。
（4）第四类情况就是热管线设计中要避免产生偶然性负荷，当然还有由于气候因素，地质条件等各种因素的共同影响而对管线所形成的冲击力，但是这种负荷的产生一般都是偶然性的，而且概率也不会很大，所以一般情况下以上的这些问题都不会因为同时存在而对热力管线产生危害。
1.2荷载工况在计算热力管道的参数时，既要考虑到设备的安装和工作状况，又要在管道的安装中首先要考虑到在常温下进行。
关于热力管道布置与应力计算思考分析摘要：热力管道布置的任务是根据系统图和规程规范布置管道，并保证管道系统具有足够的稳定性和柔性，防止由于热膨胀、管道自重、地震、风载和水锤或管道自身支吊架受限而发生下列情况：应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；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；管道振动过大；管系运行一段时间后整体下沉等。
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，以供参考。
关键词：管道布置；支吊架设置；应力计算；受力分析1管道布置热力管道的布置除应满足相应的规程规范的要求外，还应尽量考虑管道的自然补偿能力。
其主要原则是：调整管道的走向，以增强整个管道的柔性；利用弹簧支吊架放松约束；改变接口设备布置等。
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、π形、Z形等管段。
确定管道固定点位置时，应使两固定点之间的管段能够自然补偿或者通过补偿器补偿。
1.1管道的荷载管道荷载包括：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。
1.2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。
1.3管道支吊架间距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作为支吊架允许最大间距。
对于90°弯管的两端支吊架展开最大间距取支吊架允许间距的0.7倍。
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。
1.4管道支吊架的型式管道支吊架的作用是：承受管道的重量荷载；阻止管道发生非预期方向的位移；控制管道的振动、摆动或冲击。
1管道总传热系数管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。
在热油管道稳态 运行方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传热系数是影响 温降计算的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。
1.1利用管道周围埋设介质热物性计算K 值管道总传热系数K 指油流与周围介质温差为 1C 时，单位时间通过管道单位 传热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。
当考虑结蜡层的热 阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：式中：K ――总传热系数，W/( m 2 C )；D e ――计算直径，m ；(对于保温管路取保温层外径的平均值， 对于无保 温埋地管路可取沥青层外径)； D n ---------- 管道直径，m ； D w ---------- 管道最外层直径，m ;1――油流与管壁放热系数， W/(m 2 C );2 --------管外壁与周围介质的放热系数， W/(m 2 C )；i――第i 层相应的导热系数，W/(m ・C )；D i ，D i+1 ――管道第i 层的外直径，m 其中i =1,2,3…n ；D L 结蜡后的管径，m为计算总传热系数K ，需分别计算部放热系数1、自管壁至管道最外径的导 热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数 2。
(1)部放热系数1的确定放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用1与放热准数N u、自然对流准数G r 和流体物理性质准数P r 间的数学关系式来表示[47] o在层流状态(Re<2000,当GrgPr<500时：2l L-1In D L(1-1 )2l ia d"比=丄=3.65 (1-2)y l在层流状态(Re<2000,当GrgPr>500时：Nu y =a i d= 0.15Re 0.33鬃；43 Gr；1'琪y(1-3)1琪P r b在激烈的紊流状态(Re>10) Pr<2500时：■骣p r0.25a1 = 0.021 - Re；8鬃Pr^4ip (1-4)d 琪Pb在过渡区(2OOO<Re<10)(1-5)式中：N u——放热准数，无因次；——流体物理性质准数，无因次；――自然对流准数，无因次；――雷诺数；K。
直埋热水管道应力分析【摘要】：本文笔者根据多年实际工作经验，结合具体工作业绩，对直埋管道应力进行系统规范性分析，特别是大管径，高温度，高压力城镇一次直埋热水管网应力进行简要阐述，仅供业内同仁参考。
【关键词】：直埋热水供热管网；大管径；高温度；高压力；应力分析一、直埋管道应力概述及分类热力管道的应力，主要是由于管道承受内压力和外部荷载以及热胀或冷缩等多种原因引起的，管道在这些荷载作用下的应力状态是复杂的，直埋热水供热管道的安全性主要取决于管道的应力的大小。
由于管道的敷设条件及运行状态共同决定了荷载的大小，所以在直埋热水热力管道设计中需要清楚的根据各项外部条件及内部条件共同对应力进行分析计算。
按照应力分类，管道承受内压和持续外载（包括自重和支吊架反力等）作用下产生的应力，属于一次应力。
一次应力是非自限性的，超过一定限度，将使管道整体变形直至破坏。
因此，必须为不发生材料屈服而留有适当的富裕度，以防止过度的塑形变形而导致管道破坏，其验算采用弹性分析或极限分析。
管道由于热胀、冷缩等变形受约束而产生的应力（即热胀当量应力或称热胀应力范围，属于二次应力）它的特征是有自限性，二次应力产生的破坏，是在反复交变应力作用下引起的疲劳破坏。
对于二次应力的限定，是采用许用应力范围和控制一定的交变循环次数，对于采用塑性良好的热水热力管道，当材料超过屈服极限时，产生小量的塑性变形，变形协调得到满足，变形就不会再继续发展，二次应力的验算采用安定性分析。
峰值应力是指管道或者附件（如三通等）由于局部结构不连续或局部热应力集中。
特点是不引起显著的变形，但导致疲劳裂纹或脆性破坏，应力验算应采用疲劳分析的方法。
计算时对出现峰值应力的三通、弯头等应力集中处采用简化公式计入应力增大系数，用满足疲劳次数的许用应力范围进行验算，在稳定的运行工况下，峰值应力对管道的破坏带来的影响很大，这个需要重点预防。
需要重点说的是土壤对直埋热水管道的应力影响。
