热力管道设计中的应力分析

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。

浅析热力管道设计中的应力摘要：热力管道设计的重要基础就是做好管道应力分析，确保在管道设计中，做好管道强度以及安全性分析，同时控制好管道成本。

热力管道应力主要的来源就是在热力供输过程中，管道内部存在的压力会导致管道存在应力，而且外部荷载力也会使得管道出现应力，所以把握好热力管道应力，对保障管道质量具有重要作用。

关键词：热力管道；设计；应力分析前言：做好管道应力分析工作，可以确保在热力管道设计中，做好管道优化工作，而且设计单位对管道应力也十分重视，有效做好管道应力分析，不仅可以在热力管道设计中，确保设计达到标准，同时可以提高设备生产的安全性，减少资金成本支出。

在热力容器设计过程中，需要以相关规范与标准为基础，对和在理需要进行科学性计算，对压力容器与压力管道安全问题以及设备柔度进行全面控制，一旦在设计中存在问题，那么在实际应用中就会出现严重的危险事故，所以在热力管道设计中，必须要对管道应力进行全面分析。

1管道应力分析1.1管系荷载的确定热力管道管系所承受的荷载力大致来源于四个方面。

1）压力以及温度荷载。

在热力系统开启后，热力管道在运行的过程中，就会受到不同程度的压力以及温度影响，为此，在进行设计的过程中，则需要根据实际情况，对压力以及温度的最低影响值进行计算，确保管道能够接受最大荷载，以此保障热力供输安全。

2）持续外载。

其中主要包含了热力管道自身荷载，附属零部件荷载重力、管道内介质重力以及保温材料重力等。

3）热胀及端点附加位移。

热力系统在启动后，管道在处于运行状态时，管道内部介质温度会发生变化，会导致管道出现形变问题，在与管道之间连接时，由于设备温度发生变化，会使得其中端点出现附加位移的情况，从而会导致管道发生形变问题。

4）偶然荷载。

其中主要以自然灾害荷载为主，还包含了管道安全阀门等，该荷载属于自然荷载，会不定时的发生，一般情况下，不会对其进行综合考虑。

2.2荷载工况在热力管道设计过程中，设计人员需要结合热力管道一般运行情况，考虑设备安装以及设备运行工况问题。

哈尔滨Ｊ下程大学硕士学位论文
口＝１．２ｘ１０～ｍ／ｍ－℃，供水温度疋＝１３０℃，回水温度瓦＝８０℃，管道安装温度瓦＝５℃，管内介质工作压力Ｐ＝１．６ＭＰａ．外径见＝７２０ｍｍ，内径见＝７００ｍｍ。

１．管道内压应力
分析管道内压力产生的应力时，假设管道的内压作用在管道内没有压力损失，即管道内的内压力作用是定值。

数值分析时的模型可以简化为平面圆环的应力分析问题。

又因为管道是轴对称的，为了方便分析不同管径的内压应力可以取管道的１／４作为几何模型（见图２．６），单元模型采用结构实体单元ｐｌａｎｅ４２，网格为Ｑｕａｄ４ｎｏｄｅ。

图２－６管道的几何模型图
ＡＮＳＹＳ分析命令流如下：
，ＰＲＥＰ７
ＥＴ，ｌ，ＰＩ，ＡＮＥ４２
ｈｄｍＭＰ，１．０
ＭＰＤＡＴＡ，ＥＸ，ｌ，，２ｅ１１
ＭＰＤＡＴＡ，ＰＲＸＹ，ｌ一０３
ＣＹＬ４，０，０，０．３５，０，０．３６，９０
图２－７内压应力等效变形图
图２－８内压应力等效应力图
应力分析结果：见图２．７内压应力等效变形图，图２．８内压应力等效应
图２－９径向应力分布图
图２－１１周向应力分布图。

管道应力及热力管道培训讲义主要讲以下几项主要内容：应力的概念、应力分析的目的、应力分析的方法、柔性设计、热伸长的计算、补偿方法、常用的补偿器、常用支架的种类、常用管托的种类、推力计算一、管道机械（管道应力）1．应力材料单位面积上受到的力。

2．一次应力由于外载（包括内压、管道自重、保温材料、雪荷载）的作用所产生的应力。

特点：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，(一般情况下一次应力超标是由于缺少管架或管架布置不当引起)。

3．二次应力（温度应力、热应力）是由于管道温度升高、管道变形受到约束而产生的应力，称为二次应力。

它由管道热胀冷缩、端点位移等引起。

（假如管道一端固定，另一端自由则不产生应力）。

二次应力的特点是：具有自限性，当管道局部变形或产生小量变形时，就能降低下来。

二次应力过大时，将使管道产生疲劳破坏。

二次应力产生的破坏，是管系在冷热状态下的反复交变应力作用下出现反复塑性变形，并因塑性应变的反复累计而引起疲劳破坏。

因此，对二次应力的限定采用许用应力范围植和限定交变循环次数加以控制。

管道应力分析分为静力分析和动力分析静力分析包括：①压力荷载和持续外载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏。

②管道热胀冷缩以及端点附加位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏。

③管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行。

④管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据。

⑤管道上法兰的受力计算——防止法兰泄漏。

⑥管道位移计算——防止管道碰撞和支吊点位移过大，或管道掉至支架下面。

动力分析包括：①管道自振频率分析——防止管道系统共振。

②管道强迫振动分析——控制管道振动及应力。

③往复式压缩机气柱频率分析——防止气柱共振。

④往复式压缩机压力脉动分析——控制压力脉动值。

二、应力分析的方法，常用的有三种1、目测法：目测人具有相当的水平和工程经验。

2、公式法：（图表法）常用的手册有“简明动力管道手册”“热力管道”“化工管路设计手册” 等3．计算机计算法：目前国际通用的管道应力分析软件为美国COADE公司编制CAESAII。

管道设计中的应力分析和处理技巧刘进辉摘要从管道应力产生的原理和处理方法出发，明确的阐述了应力处理的原则。

分步叙述了管道的补偿、管道柔性分析方法的选择，图解简化计算、判断式、计算机分析中的一些技巧和方法。

主题词应力补偿管道上的应力一般分为一次应力、二次应力和峰值应力。

一次应力是指由管道所受外力荷载引起的正应力和剪应力。

二次应力是由于管道变形受约束所产生的正应力和剪应力。

峰值应力是管件的局部结构不连续，有应力集中，或有局部热应力，附加到一次应力和二次应力的总合。

一次应力和峰值应力在确定的管道和管道环境中是不会变化的，这里我想主要谈谈管道的二次应力。

由定义可知，二次应力是由于管道变形受阻而产生的，它不直接与外力相平衡，而是由管道各部分变形来适应的。

在热胀推力的作用下，管道局部屈服而产生少量塑性变形时，就会使推力不在增加，塑性变形不在发展，即有自限性。

对于塑性良好的材料，一次伸缩即使产生较大的变形也不会破坏。

只有塑性变形在多次交变的情况下，才会引起管道的疲劳破坏。

当热力管道启动时，热力由内壁向外壁传递，内外壁管道有温差，管道温度不均匀，而产生温度应力，一般计算中不考虑。

不同材料的管道和管件焊接时，由于膨胀系数和弹性模量不同，当温度升高时，相连处存在热应力。

此应力也属二次应力。

一、管道的补偿在诸多因素中，温度的变化对管道应力的影响最大，而温度升高，又会降低管道的许用应力，只有当管道在工作状态下的应力小于许用应力，管道才是安全的。

那么我们怎样才能解决管道由于各种界环境变化而形变带来的二次应力呢？简单的说就是“膨胀多少，补偿多少”！。

管道在热胀或冷紧时不受阻，或在安全应力内受阻是我们补偿的最终目的。

首先我们来明确几个重要参数：右图是一“L”型管道，A、B分别为管道的两个固定点，L1+L2=L是管道的长度，U是两个固定点间的距离，Δ是管道的膨胀量。

这里需要对Δ详细说明一下，它是管道的线性膨胀量和管道位移的矢量加和。

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。

应力分析在管道设计过程中的优化及指导摘要：电力建设是我国整体经济建设中非常重要的组成部分，一直以来发挥着非常重要的作用，随着超超临界技术的发展，设计过程中往往存在着极端的温度及压力变化，用于输送这些介质的管道通常为压力管道。

压力管道由于通常传输这类极端温度及压力的介质，其安全与否对机组运行的安全性尤为重要。

关键词：应力分析；管道设计过程；优化及指导引言我国整体经济建设的快速发展离不开各行业的支持，其中工业建设的贡献尤为突出。

管道应力分析是指通过科学计算对管道进行力学分析，以确保管道能够满足与其相连的设备的安全应用需求。

设计人员在管道设计过程中需要全面考虑管道应力状态，进而保证其能够满足安全运行需求，绝不能主观臆断，同时还应当注重设计的高效化与合理性。

1管道应力分析方法与范围管道应力分析前，需要编制相应的分析规定，明确分析重点。

了解把握管道应力分析轴测图和相关数据，应用CAESARII应力分析软件进行分析，构建模型，之后再分析其合理性，最终得出结果，科学调整管道模型，以保证应力校核评定过程顺利。

在此基础上，编制计算书，将计算结果提交给配管专业。

一般而言，与荷载敏感的转动设备或者与应力敏感的设备相连的管线、管道应当进行重点应力分析，其中与荷载敏感的转动设备相连的管线主要包括下述几种：(1)连接泵进出口的管线。

(2)连接往复泵、压缩机的管线。

(3)公称直径大于等于DN100的转动设备管道。

与应力敏感的设备相连的管道包括下述几种：(1)连接加热器的管道。

(2)连接主辅机设备的管道等。

2管道优化设计1.管道走向的优化，在进行管道的设计时，需要考虑诸方面因素，如管道尺寸的大小、位置的分配、走向优化、以及支架的位置及其形式。

对于一些极端工况下的管道如四大管道、LNG管道等，受制于配管经验，有时会考虑的不够周到合理，导致管道的应力超出许用应力范围。

对于这类问题，通过借助CAESARII对相关管道进行应力计算，即可对应力超标部分的管道进行调整和优化。

⼀次应⼒，⼆次应⼒，偶然应⼒和失效准则1.在图中讲了，重量和压⼒导致的⼀次应⼒⽤热态许⽤应⼒来控制。

温度引发的弯头和三通处⼆次应⼒⽤安定性条件来控制，即三倍许⽤应⼒3*Sh。

2.我们来看⼀个热⼒直埋管道，⼤家都知道管道有锚固段，有活动段，我们看看每个部分的具体失效形式。

导致国内CJJ规范对直管应⼒评定错误采⽤安定性3*Sh，是规范编制⼈误认为完全约束段的应⼒是温度引发的，温度引发的就是⼆次应⼒，⼆次应⼒就可以⽤安定性条件来判断。

这是错误的，这地⽅的应⼒不是疲劳交变应⼒，管道仅仅处于热态受压，冷态基本⾃由。

管道完全受压的破坏是失稳，不是疲劳。

欧洲EN13941和俄罗斯GOST55596,以及美国的油⽓规范都是这么样做的。

管道的失效有三种：⼀次失效（管道承压问题--》爆裂，承重问题---》垮塌），⼆次失效（弯头和三通的疲劳破坏），刚度丧失（稳定性失效）。

埋地管道这三种失效都有，⽽架空管道既有⼀次和⼆次失效。

导致规范编制⼈出现这样错误，是对国外规范不了解或了解不透彻，对结构失效的三种形式不清楚，以遇到温度就归为⼆次应⼒，⼀旦是⼆次应⼒就是疲劳安定性问题。

补充前⾯的讲解。

⼀次应⼒往往控制在许⽤应⼒范围内，及弹性设计。

⼆次应⼒，交变应⼒，运⾏升温⾸次过屈服，后来的冷热交变在3*Sh内，⽤弹塑性设计安定性原理来控制。

管道受压失稳，要通过临界许⽤压应⼒来控制，埋地管道失稳由于管径的变化，有整体失稳控制和局部失稳控制两个部分。

我们切记，完全约束部分是失稳破坏，不是疲劳破坏。

这是整个国内埋地热⼒管道设计规范和很多⼈的误区。

管道能否做⽆补偿冷安装，不是什么神秘，也不是弹塑性安定性来⽀持的。

是你的温差和你的径厚⽐，埋深决定的。

理论上讲都可以做⽆补偿，但问题在于，你的活动段，折⾓处，三通处，截断阀怎么处理。

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。