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今天借这个机会和大家共同学习和探讨一下管道柔性分析与应力计算以及应力计算软件CAESARⅡ。
我们作为管道工程师,配管是我们的主要工作，占据了我们大部分工作时间。
一般情况下，管道工程师在配管完成后,应将临界管系提给管道机械工程师进行管道柔性分析与应力计算，通常也简称为应力分析。
我们在配管完成后，为什么要进行管道应力分析呢?主要有以下几个原因：第一个原因是为了使管道应力在规范的许用范围内，保证所设计的管系及其连接部分的安全性。
第二个原因是为了使管口荷载符合标准规范的要求。
第三个原因是为了计算支撑和约束的设计荷载。
第四个原因是为了计算管道位移，从而选择合适的管架。
第五个原因是为了解决管道动力学问题，比如说：机械振动，声频振动，流体锤，压力脉动,安全阀的排放等等。
最后一个原因是为了帮助配管优化设计。
这些原因呢也构成了管机工程师需要完成的工作任务，对这些内容呢后面我们会作进一步学习。
今天我们学习的内容包括以下五个部分:1.管道应力分析的相关理论和基础知识。
我们简单的学习一下与管道应力分析相关的一些理论和基础知识。
2.管道应力分析的理解和工作任务。
3.实际工作中的管道应力分析的工作过程。
4.管道的柔性设计。
5。
CAESARⅡ管道应力计算程序。
我们首先一起学习一下应力分析的理论基础一管道应力分析的相关理论和基础知识。
应力分析的相关理论和基础知识涉及的内容是非常广泛的，象是材料力学，结构力学，有限元,弹塑性力学等等。
今天我们只学习和它关系最为密切的一些内容。
如果有兴趣的话，大家可以在以后时间里进一步学习其他相关知识。
我们学习的第一点是强度理论在管系上的任一受力点，往往受到多方向应力的作用，例如：轴向应力，环向应力，剪切应力的作用.这些应力会对管道材料的力学性能产生影响，严重时将使管道材料失效或产生破坏。
这种影响程度通常用“当量应力强度”来衡量，而定量求解应力强度则要依据相应的强度理论。
涉及的强度理论主要有四种：第一种是最大主应力理论。
管道应力分析程序（GLIF）使用说明第一章概述本程序吸收了国内管道应力计算程序和美国2010管道应力计算程序的优点，采用结构程序设计方法，开发的符合《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定（SDGJ6-90）》的程序。
11功能程序计及了内压、自重、外载、设备接口附加位移、冷紧、安全阀排放产生的载荷、以及风载、静力地震载荷等，既能对持续荷载，又能对临时荷载、偶然荷载进行分析计算。
程序可对正常运行条件下的热状态、冷状态，由热至冷及由冷至热状态进行计算。
其中对冷状态考虑了管道运行初期和应变达到自均衡后两种情况。
程序可对水压试验工况进行分析计算。
程序可对异常运行条件下的安全阀排放荷载、风载、地震荷载的静力分析计算。
本程序管道结构分析和应力验算更趋于精细和合理，提高了管道投资的经济性和运行的安全性。
12特点程序的编制，按功能采用模块型结构，使其可读性和可维护性好。
尽量用标准语言而避免采用依赖于机型和硬件的特殊语句，使程序可移植性好。
程序功能强，使用简便，程序对管道的结构没有限制，按管道的设计模型组织数据文件，为CAD绘图创造了良好条件。
输入灵活易学，输出集中简明。
输入数据、输出成果的单位可分别选取工程制和法定单位制。
程序应力验算符合SDGJ6-90标准，为了使用户计算方便、便于掌握程序按照定工况进行组织，可自动检查出输入数据的错误。
减少对错误题目进行运算的可能性，节省时间和费用。
13计算内容a.管道在工作状态下，由持续荷载（即内压、自重等）作用下产生的应力进行验算，计算持续荷载对设备或端点的推力。
b.管道在运行初期工作状态下，计算管道约束装置的荷载及管道对设备（或端点）的推力。
考虑自重、热膨胀、有效冷紧和端点附加位移的影响。
c.管道应变自均衡后在冷状态下，计算管道刚性约束装置的荷载及管道对设备（或端点）的推力。
d.管道由冷状态到工作状态的热位移计算，按管道沿坐标轴的全补偿值和钢材在20℃时的弹性模量计算，并考虑弹簧附加力的影响。
管道支吊架许用剪切应力按许用拉伸应力的0.6倍计算摘要：1.管道支吊架的许用剪切应力计算2.许用拉伸应力与剪切应力的关系3.管道支吊架的安全性保障正文：一、管道支吊架的许用剪切应力计算在管道支吊架的设计和应用中，许用剪切应力是一个非常重要的参数。
根据相关规定，管道支吊架的许用剪切应力应该按照许用拉伸应力的0.6 倍进行计算。
这样的设计可以确保管道支吊架在使用过程中能够承受一定的剪切力，从而保证管道系统的稳定性和安全性。
二、许用拉伸应力与剪切应力的关系许用拉伸应力是指管道支吊架在拉伸状态下可以承受的最大应力。
在实际应用中，管道支吊架可能会受到来自不同方向的力，其中包括拉伸应力和剪切应力。
为了确保管道支吊架的稳定性和安全性，需要对这两种应力进行分别计算，并确保它们的比值符合规定。
根据材料力学的原理，许用拉伸应力与剪切应力之间存在一定的关系。
在许用拉伸应力一定的情况下，剪切应力的大小会影响管道支吊架的稳定性和安全性。
因此，在设计管道支吊架时，需要合理选择材料和结构，以确保许用剪切应力不超过许用拉伸应力的0.6 倍。
三、管道支吊架的安全性保障在管道支吊架的设计和使用过程中，安全性是非常重要的考虑因素。
除了合理计算许用剪切应力和许用拉伸应力之外，还需要采取一系列措施来保障管道支吊架的安全性。
首先，在材料选择上，应该选用具有较高强度和韧性的材料，以确保管道支吊架能够承受在使用过程中可能遇到的各种应力。
其次，在结构设计上，应该充分考虑管道支吊架的受力特点，采用合理的结构形式，以提高其承载能力和稳定性。
最后，在施工和使用过程中，应该严格按照相关规定和标准进行操作，避免因施工不当或使用不当而导致管道支吊架的损坏或失效。
总之，管道支吊架的许用剪切应力按照许用拉伸应力的0.6 倍进行计算，可以确保管道支吊架在使用过程中的稳定性和安全性。
管道设计中关于管道应力的分析与考虑摘要：管道应力分析应该保证在设计的条件下有足够的柔性，为的是防止管道因为过度膨胀冷缩、管道自振或者是端点附加位移造成应力问题，在管道设计的时候，一部分管道要求必须进行管道应力分析和相关计算，同时还有一部分管道是不需要进行应力分析的，这种的管道分为两个部分，一种是根据实际的经验或者是已经成功的工程案例，在管道的设计中加上相应的弯管、膨胀节等环节来避免，所以就不需要进行管道应力分析，另一种就是管道的管径比较小，管道比较短，常温常压，不连接设备或者是不会产生振动，所以就不需要进行应力分析，文章就对管道的应力分析进行了详细的介绍说明。
关键词：管道设计应力分析柔性标准一、管道应力分析的主要内容管道应力分析主要分为两个部分，动力分析和静力分析：1、管道应力分析中的动力分析动力分析主要包括了六个方面，第一是管道自振频率的分析，为的是有效的防止管道系统的共振现象；第二是管道强迫振动相应的分析，目的是能够有效的控制管道的振动和应力；第三是往复压缩机（泵）气（液）柱的频率分析，通过对压缩机（泵）气（液）柱的频率的相关分析有效的防止气（液）柱的共振现象发生；第四是往复压缩机（泵）压力脉动的分析，起到控制压力脉动值的作用；第五是冲击荷载作用下的管道应力分析，可以防止管道振动和应力过大；第六是管道地震分析，为防止管道地震应力过大。
2、管道应力分析中的静力分析静力分析包括了六个方面的内容：第一是压力荷载以及持续荷载作用下的一次应力计算，为的是有效的防止塑性变形的破坏；第二是管道热胀冷缩和端点附加位移产生的位移荷载作用下的二次应力计算，通过二次应力分析计算防止疲劳破坏；第三是管道对设备产生的作用力的相应计算，能够防止作用力太大，有效的保证设备的正常运行；第四是对于管道的支吊架的受力分析计算，能够为支吊架的设计提供充足的依据；第五是为了有效的防止法兰的泄漏而对管道法兰进行的受力分析；第六是管系位移计算，防止管道碰撞和支吊点位移过大2、管道应力分析的目的对管道进行应力分析为的就是能够使管道以及管件内的应力不超过许可使用的管道应力值；为了能够使和管道系统相连接的设备的管道荷载保持在制造商或者是国际规定的许可使用范围内；保证和管道系统相连接的设备的管口局部管道应力在ASME Vlll允许的范围内；为了计算管道系统中支架以及约束的设计荷载；为了进行操作的工况碰撞检查而进行确定管道的位移；为了能够尽最大可能的优化管道系统的设计。
㊀２０２０年㊀第３期Ｐｉｐｅｌｉｎｅ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２０２０㊀Ｎｏ ３㊀收稿日期：２０２０－０３－１７船用汽轮机蒸汽管道设计及应力分析罗㊀坚，陈定千，沈㊀俊（中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，江苏无锡㊀２１４１５１）㊀㊀摘要：文中从管径选择㊁管壁计算㊁方案布置和支吊架选型进行分析，介绍了某船用汽轮发电机组蒸汽管道的设计㊂计算分析了该蒸汽管道静态下各支吊架受力㊁管道应力和管口推力，以及主汽门瞬间关闭时的汽锤力㊂计算结果表明：该蒸汽管道变形均衡，管道的一次应力㊁二次应力及管口推力均小于许用值；主汽门瞬间关闭时蒸汽管道的汽锤力较小，对汽轮机和管道的安全运行无影响㊂本次汽轮发电机组蒸汽管道设计合理，能满足机组安全运行㊂关键词：蒸汽管道；热变形；应力分析；汽锤中图分类号：ＴＫ２６㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００４－９６１４（２０２０）０３－０００１－０３ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｔｒｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｔｅａｍＰｉｐｅｌｉｎｅｆｏｒＭａｒｉｎｅＴｕｒｂｉｎｅＬＵＯＪｉａｎ，ＣＨＥＮＤｉｎｇ⁃ｑｉａｎ，ＳＨＥＮＪｕｎ（ＴｈｅＮＯ．７０３ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＳＣＩ，Ｗｕｘｉ２１４１５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｅａｍｐｉｐｅｌｉｎｅｏｆａｍａｒｉｎｅｔｕｒｂｏ⁃ｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｄｉａｍｅｔｅｒ，ｃａｌｃｕ⁃ｌａｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｗａｌｌ，ｓｃｈｅｍｅｌａｙｏｕｔａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｈａｎｇｅｒ．Ｔｈｅｆｏｒｃｅｏｆｅａｃｈｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｈａｎｇｅｒ，ｐｉｐｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｈｒｕｓｔｏｎｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｅｎｄｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｓｔａｔｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｓｔｅａｍｈａｍｍｅｒｆｏｒｃｅｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｖａｌｖｅｗａｓｃｌｏｓｅｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔ，ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｅａｍｐｉｐｅｌｉｎｅｉｓｕｎｉｆｏｒｍ，ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｓｔｒｅｓｓ，ｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｈｅｆｏｒｃｅｏｎｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｅｎｄａｒｅａｌｌｌｅｓｓｔｈａｎａｌｌｏｗａｂｌｅｖａｌｕｅｓ，ｔｈｅｓｔｅａｍｈａｍｍｅｒｆｏｒｃｅｉｓｓｏｓｍａｌｌａｎｄｈａｓｎｏｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｖａｌｖｅｃｌｏｓｅｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｅａｍｐｉｐｅｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅｔｕｒｂｏ⁃ｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｃａｎｍａｋｅｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｐｅｒａｔｅｓｓａｆｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅａｍｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｔｈｅｒｍａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｅａｍｈａｍｍｅｒ０㊀引言蒸汽管道运行时由于管内蒸汽温度高于环境温度，管道会因热胀而产生热位移㊂因此，蒸汽管道在整个汽轮机中起着极其重要的作用，不仅要满足机组的性能要求，还必须要有一定的柔性，以保证整个系统的稳定运行［１］㊂如果蒸汽管道设计不合理，可能对设备装置造成严重的损害㊂因此，管道柔性设计是否合理，对蒸汽管道进行应力计算及校核有重要意义㊂１㊀壁厚计算汽轮机最大运行压力为３．２ＭＰａ，额定工况时的主蒸汽参数：压力２．５ＭＰａ，温度２３０ħ，流量１５０ｔ／ｈ；冷凝器旁排蒸汽参数：压力３．２ＭＰａ，温度２５０ħ，流量５０ｔ／ｈ㊂汽轮机主蒸汽进口直径ＤＮ３００，管道外径选用３２５ｍｍ；旁排蒸汽进口直径ＤＮ１５０，管道外径选１５９ｍｍ㊂管道材质采用１２Ｃｒ１ＭｏＶ㊂则管道壁厚按式（１）计算［２］：Ｓｍ＝ｐＤ０／（２［σ］ｔη＋２ｐＹ）＋Ｃ（１）式中：Ｓｍ为管子最小壁厚，ｍｍ；ｐ为设计压力，ＭＰａ；Ｄ０为管子外径，ｍｍ；Ｙ为修正系数；η为许用应力修正系数，对于无缝钢管可取１．０；［σ］ｔ为设计温度时管子的许用应力，ＭＰａ；Ｃ为考虑腐蚀㊁磨损和机械强度要求的附加厚度，ｍｍ㊂设计压力为最大工作压力的１．１倍［３］，根据计算结果，汽轮机主蒸汽管道和旁排蒸汽管道分别取相应的厚度㊂２㊀管道布置根据汽轮机运行要求，蒸汽管道系统要满足汽轮机正常运转和旁排运行两种不同蒸汽参数条件，因此设计采用双母管供气设计方案㊂管道布置形式见图１㊂蒸汽管道布置中，采用了Ｌ形㊁Ｚ形㊁Π形等管线形状，充分利用管系的自身补偿能力，增强管道柔性，减小管系应力和汽轮机进口受力㊂同时设置固定支㊀㊀㊀㊀㊀２㊀ＰｉｐｅｌｉｎｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｙ２０２０㊀图１㊀蒸汽管道简图架㊁滑动支架㊁弹簧支架，尽量保证设备管口附加位移方向与管道热位移方向一致㊂并在管道系统每个低位点都设置疏水，防止暖管时管道内出现水击现象㊂３㊀应力计算及分析３．１㊀计算方法热力管道的应力分析一般只进行静力分析，管道应力分析主要包括一次应力校核㊁二次应力校核和管口推力校核［４］㊂本文应用ＡＮＳＹＳ软件进行建模和应力计算㊂计算中考虑的载荷有管内压力和管子自重等持续载荷及热胀和位移约束载荷㊂将管道与设备的连接点作为固定点，约束其全部自由度㊂为计算方便，考虑５个载荷工况分别进行计算：工况０：热态吊零状态㊂将弹簧支吊架刚度设为刚性约束，即刚度无穷大，管道载荷为管子自重，不计管内压力㊂得到支吊架分配荷载，同时计算管道对设备管口的自重推力㊂工况１：管道工作状态㊂将弹簧支吊架刚度设为０，管道载荷为管子自重㊁管内压力㊂计算管道的一次应力㊂工况２：管道运行初期热态㊂管道由冷到热，将弹簧支吊架刚度设为０，不计自重和管内压力，计入温度载荷㊂计算结果与工况０叠加，得到支吊架工作荷载和管道的初热推力㊂工况３：管道由冷到热的热胀状态㊂弹簧支吊架刚度设为实际刚度，不计自重和管内压力，计入温度载荷㊂取２０ħ时材料弹性模量，计算管道二次应力，同时得到热胀推力及弹簧荷载变化值㊂工况４：管道运行初期冷态㊂将弹簧支吊架刚度设为０，计入弹簧支吊架的附加作用力，不计管道自重㊁管内压力和温度载荷㊂计算结果与工况０叠加，得到支吊架安装荷载和管道的初冷推力㊂３．２㊀计算结果分析通过对蒸汽管道系统应力计算，得出各非弹簧支吊架的应力值（见表１），弹簧支吊架的应力值（见表２），管道对设备管口的推力（见表３）㊂表１㊀非弹簧支吊架应力Ｎ编号支吊架类型分配载荷Ｆｙ热态载荷变化Ｆｙ工作载荷Ｆｙ冷态载荷变化Ｆｙ安装载荷Ｆｙ１００２滑动支架－６８２５１１０２－５７２３４３０－６３９５１００３滑动支架－６８６２－１３５０７－２０３６９－１７７－７０３９１００４固定支架－５７４３２４２８－３３１５－２１５－５９５８１００５滑动支架－１６８６－４６１５－６３０１１１８０－５０６１１０２滑动支架－６８３１－２６３２－９４６３２８９－６５４２１１０３滑动支架－５３８１－７９３－６１７４－１２２－５５０３１２０１滑动支架－２５７５６１７－１９５８０－２５７５１２０２滑动支架－２５７７１７２－２４０５１－２５７６表２㊀弹簧支吊架应力编号工作载荷Ｆｙ／Ｎ安装载荷Ｆｙ／Ｎ弹簧刚度／（Ｎ㊃ｍｍ－１）预压缩量／ｍｍ弹簧选型载荷变化／％１００１－３０８９－３６４６５０．００７３ＺＨ１０６１８１００６－９９０１－１０８０７１５７．２５６９ＺＨ１１０９１００７－５８９３－６２１７８８．７５７０ＺＨ１０８６１００８－１２０６３－１０８９０２１０．００５２ＺＨ１１１１０１１０１－３８３１－４２９３６６．７５６４ＺＨ１０７１２１１０４－２１７１－２１４０３７．３３５７ＺＨ１０５２１２０３－８６３－９４０１５．７８６０ＺＨ１０３９１２０４－１００５－９２３１５．７８５９ＺＨ１０３８表３㊀管道对设备管口的推力状态管口位置编号Ｆｘ／ＮＦｙ／ＮＦｚ／ＮＭｘ／（Ｎ㊃ｍ）Ｍｙ／（Ｎ㊃ｍ）Ｍｚ／（Ｎ㊃ｍ）热态汽轮机进口３０００１３６７－１６９８－１３５６２８３２－１８１９１７８４凝汽器旁排口４０００１１８４－６０２－３１２７３－２５３５９０７冷态汽轮机进口３０００７９－２００９１２１７８４４－６７６凝汽器旁排口４０００－４０－７８３０－７０８１－２６㊀㊀从图２中可看出，管道变形均匀㊂从图３㊁图４中可得，管道一次㊁二次应力最大值分别为５６．５ＭＰａ和１０７．４ＭＰａ㊂３．２．１㊀管口推力评定根据ＮＥＭＡＳＭ２３要求，作用于汽轮机任一管口上的合力及合力矩都应满足下列要求［５］：０．９１４４ＦＲ＋ＭＲɤ２６．６８９Ｄｅ（２）式中：Ｄｅ为当量直径，ｍｍ；Ｄｅɤ２００时，Ｄｅ＝管口当量㊀㊀㊀㊀㊀第３期罗坚等：船用汽轮机蒸汽管道设计及应力分析３㊀㊀图２㊀管道热态变形图３㊀管道一次应力图４㊀管道二次应力直径；Ｄｅ＞２００时，Ｄｅ＝（管口当量直径＋４００）／３；ＦＲ为接口处的合力，Ｎ；ＭＲ为接口处的合力矩，Ｎ㊃ｍ㊂通过计算可知，汽轮机进口和冷凝器旁排口在热态和冷态下都满足管口推力的评判准则㊂３．２．２㊀管道应力评定管道应力合格的评定依据：一次应力和二次应力都必须合格㊂一次应力校核条件：σ１ɤ［σ］ｔ（３）二次应力校核条件：σ２ɤｆ（１．２５［σ］２０＋０．２５［σ］ｔ）（４）式中：σ１㊁σ２分别为管道的一次应力和二次应力，ＭＰａ；［σ］２０为材料在２０ħ时的许用应力，ＭＰａ；ｆ为应力范围系数，它与管道位移循环当量数Ｎ有关，Ｎɤ２５００时，ｆ＝１㊂一次应力㊁二次应力评定结果见表４㊂表４㊀管道最大ＭＩＳＥＳ应力ＭＰａ应力类别计算值许用值评定结论一次应力５６．５２９６合格二次应力１０７．４２５６合格４㊀汽锤力计算分析汽轮发电机组在运行过程中出现故障时会导致负载突卸，为保护机组不被损坏，主汽门快速关闭㊂此时，阀门前蒸汽压力骤升，所形成的压力波会在管道内往复传播，对设备和管道产生冲击，这种现象称为汽锤现象［６］㊂汽锤可能会造成严重的破坏，因此，计算管道汽锤力，确保汽轮机安全运行非常重要㊂４．１㊀模型参数本文利用ＰＩＰＥＮＥＴ软件计算机组额定工况时主汽门突然关闭的动态汽锤力，假定锅炉出口流量恒定，模型参数见表５㊂表５㊀模型参数表设备参数名参数值流量系数１７６５０主汽门开启模式线性开启关闭时间０．５ｓ关闭整定值３．８ＭＰａ安全阀流量系数６２５０开启模式快开４．２㊀计算结果分析从图５中可以看出，主汽门在２ｓ时开始关闭，导致阀前压力突然升高，压力最高升至３．９３ＭＰａ㊂现有蒸汽管道设计规范中没有涉及汽锤压力标准，可参考泵站设计中水锤压力的要求，由于水锤／汽锤力持续时间短，所以压力不超过设计压力的１．３倍时满足系统设计要求㊂在主汽门关闭瞬间，管道内会产生压力波，随着安全阀完全打开，压力波动逐渐损失减弱，最终达到稳定，这就是汽锤现象㊂从图６中可以看出，在主汽门关闭瞬间，阀前管道产生汽锤力，并且在阀门完全关闭的２．５ｓ时达到最大５７７Ｎ，在安全阀完全打开后管道系统稳定运行，汽锤力消失㊂由于该管道的汽锤力较小，在管道应力分析时留有余量，可不需考虑汽锤力对汽轮机和管道的影响㊂（下转第４５页）㊀㊀㊀㊀㊀第３期范海俊等：发夹式换热器异形法兰及封头的设计４５㊀㊀（１）可通过理论公式进行异形法兰和封头的初步计算；（２）异形法兰和异形封头的设计计算需要考虑多种因素的影响，仅靠理论公式的推算很难保证其满足设计要求，需要进行有限元分析；（３）异形法兰即使满足ＨＧ／Ｔ２０５８２中斜锥长颈法兰的要求，其对异形封头弯曲应力的影响也不能忽视，这在其他应用场景中也应给予重视㊂参考文献：［１］㊀王振锋，宋印玺．发夹式换热器结构研究及热工设计［Ｊ］．山东化工，２０１７，４６（２３）：９８－９９．［２］㊀王鹏．浅析发夹式换热器结构［Ｊ］．化工设备与管道，２０１８，５５（６）：３１－３３；６９．［３］㊀许宝军，刘克为．太阳能发电系统中发夹式换热器的设计［Ｊ］．电站辅机，２０１９，４０（２）：１８－２２．［４］㊀中国石油化工集团公司．石油化工钢制套管换热器技术规范：ＳＨ／Ｔ３１１９ ２０１６［Ｓ］．北京：中国石化出版社，２０１６．［５］㊀中国石油和化学工业联合会．钢制化工容器强度计算规定：ＨＧ／Ｔ２０５８２ ２０１１［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１１．［６］㊀全国锅炉压力容器标准化技术委员会．压力容器：ＧＢ／Ｔ１５０ ２０１１［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１１．［７］㊀全国钢标准化技术委员会．高压化肥设备用无缝钢管：ＧＢ／Ｔ６４７９ ２０１３［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１３．［８］㊀全国锅炉压力容器标准化技术委员会．低温承压设备用低合金钢锻件：ＮＢ／Ｔ４７００９ ２０１０［Ｓ］．北京：新华出版社，２０１０．［９］㊀全国锅炉压力容器标准化技术委员会．热交换器：ＧＢ／Ｔ１５１ ２０１４［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１５．［１０］㊀全国锅炉压力容器标准化技术委员会．钢制压力容器分析设计标准：ＪＢ４７３２ １９９５（２００５年确认）［Ｓ］．北京：机械工业出版社，２００５．作者简介：范海俊（１９９０ ），工程师，主要从事压力容器与常压低温储罐设计㊁制造与检验工作㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｆａｎ＿ｈａｉｊｕｎ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ（上接第３页）图５㊀主汽门前管内压力和流量图６㊀主汽门前管道汽锤力５㊀结束语蒸汽管道温度高，会产生较大的热胀作用力，对汽轮机的正常稳定运行有着重要影响，因此汽轮机蒸汽管道的设计要考虑足够的柔性，防止管道因热胀冷缩㊁端点附加位移或支架设置不当造成管道疲劳损坏㊁汽轮机端口产生过大应力或变形㊁支吊架破坏等㊂本文对静态下蒸汽管道的一次应力㊁二次应力和管口推力进行了计算，并校验合格，还计算分析了动态下汽锤力的影响㊂该汽轮发电机组蒸汽管道已安全投入运行，表明了该设计的可靠性㊂通过此次设计得到以下结论：（１）合理选择管道壁厚可以增加管道柔性，减小热应力㊂（２）蒸汽管道布置时尽量改变管道走向，利用自补偿能力增强管道柔性，减小管道应力和管口推力㊂（３）合理选择支吊架形式及布置位置，可以减小管道应力及管口推力㊂（４）安装时使用冷紧可以减小管口推力㊂参考文献：［１］㊀张锡德，戴广来，邵士铭，等．管道柔性设计对合成气压缩机汽轮机振动的影响［Ｊ］．化工设备与管道，２０１３，５０（２）：４２－４６．［２］㊀电力规划设计总院．火力发电厂汽水管道设计技术规范：ＤＬ／Ｔ５０５４ ２０１６［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１６．［３］㊀电力规划设计总院．发电厂汽水管道应力计算技术规程：ＤＬ／Ｔ５３６６ ２０１４［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１４．［４］㊀贾芸，许敏宇，童金生．多参数㊁多分支蒸汽管路系统的设计［Ｊ］．中国新技术新产品，２０１３（２２）：１０２－１０３．［５］㊀国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监督局．全国压力管道设计审批人员培训教材［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２０１２．［６］㊀刘伟，于沛．基于ＰＩＰＥＮＥＴ的ＡＰ１０００主蒸汽管道汽锤力计算［Ｊ］．核科学与工程，２０１５，３５（２）：２３０－２３５．作者简介：罗坚（１９８８ ），硕士，工程师，主要从事蒸汽动力装置的试验工作㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｕｏｊｉａｎ２９０００７９＠１６３．ｃｏｍ。
管道应力分析的原则管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。
ASME B31《压力管道规范》由几个单独出版的卷所组成，每卷均为美国国家标准。
它们是子ASME B31 压力管道规范委员会领导下的编制的。
每一卷的规则表明了管道装置的类型，这些类型是在其发展过程中经考虑而确定下来的，如下所列：B31.1 压力管道：主要为发电站、工业设备和公共机构的电厂、地热系统以及集中和分区的供热和供冷系统中的管道。
B31.3 工艺管道：主要为炼油、化工、制药、纺织、造纸、半导体和制冷工厂，以及相关的工艺流程装置和终端设备中的管道。
B31.4 液态烃和其他液体的输送管线系统：工厂与终端设备剑以及终端设备、泵站、调节站和计量站内输送主要为液体产品的管道。
B31.5 冷冻管道：冷冻和二次冷却器的管道B31.8 气体输送和配气管道系统：生产厂与终端设备（包括压气机、调节站和计量器）间输送主要为气体产品的管道以及集汽管道。
B31.9 房屋建筑用户管道：主要为工业设备、公共结构、商业和市政建筑以及多单元住宅内的管道，但不包括B31.1 所覆盖的只寸、压力和温度范围。
B31.11 稀浆输送管道系统：工厂与终端设备间以及终端设备、泵站和调节站内输送含水稀浆的管道。
管道应力分析的主要内容一、管道应力分析分为静力分析析1.静力分析包括：1)压力荷载和持续荷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等位移荷载作用下的二次应力计算一一防止疲劳破坏；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一防止法兰汇漏。
2.动力分析包括：1)管道自振频率分析一一防止管道系统共振：2)管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力；3)往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析一一防止气柱共振；4)往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。
管道应力分析程序（GLIF）使用说明第一章概述本程序吸收了国内管道应力计算程序和美国2010管道应力计算程序的优点，采用结构程序设计方法，开发的符合《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定（SDGJ6-90）》的程序。
11功能程序计及了内压、自重、外载、设备接口附加位移、冷紧、安全阀排放产生的载荷、以及风载、静力地震载荷等，既能对持续荷载，又能对临时荷载、偶然荷载进行分析计算。
程序可对正常运行条件下的热状态、冷状态，由热至冷及由冷至热状态进行计算。
其中对冷状态考虑了管道运行初期和应变达到自均衡后两种情况。
程序可对水压试验工况进行分析计算。
程序可对异常运行条件下的安全阀排放荷载、风载、地震荷载的静力分析计算。
本程序管道结构分析和应力验算更趋于精细和合理，提高了管道投资的经济性和运行的安全性。
12特点程序的编制，按功能采用模块型结构，使其可读性和可维护性好。
尽量用标准语言而避免采用依赖于机型和硬件的特殊语句，使程序可移植性好。
程序功能强，使用简便，程序对管道的结构没有限制，按管道的设计模型组织数据文件，为CAD绘图创造了良好条件。
输入灵活易学，输出集中简明。
输入数据、输出成果的单位可分别选取工程制和法定单位制。
程序应力验算符合SDGJ6-90标准，为了使用户计算方便、便于掌握程序按照定工况进行组织，可自动检查出输入数据的错误。
减少对错误题目进行运算的可能性，节省时间和费用。
13计算内容a.管道在工作状态下，由持续荷载（即内压、自重等）作用下产生的应力进行验算，计算持续荷载对设备或端点的推力。
b.管道在运行初期工作状态下，计算管道约束装置的荷载及管道对设备（或端点）的推力。
考虑自重、热膨胀、有效冷紧和端点附加位移的影响。
c.管道应变自均衡后在冷状态下，计算管道刚性约束装置的荷载及管道对设备（或端点）的推力。
d.管道由冷状态到工作状态的热位移计算，按管道沿坐标轴的全补偿值和钢材在20℃时的弹性模量计算，并考虑弹簧附加力的影响。
管道应力分析及设计摘要：随着现代工业的发展，大量高温高压管道的应用，使管道的应力分析显得尤为重要。
文中阐述了电站主蒸汽管道应力分析的方法，并举例说明，为管道应力分析计算提供了可靠的模型。
关键词：管道应力；支吊架；管道设计；主蒸汽Abstract: With the development of modern industry, the stess analysis of pipeline is particularly important for the large application of high pressure pipeline. The paper explains the methods ofthe power plant main steam pipe stress analysis, and gives illustration, providing a reliable model for pipe stress analysis.Keywords: pipe stress; supports and hangers; pipeline design; main steam目前随着工程建设的日益大型化，所用管道的管径逐渐增大，所以管道应力分析越来越受到设计单位和投资单位的重视，也对从事管道设计的人员提出了更高的要求。
要求设计人员必须具备有一定的应力分析能力，才能设计出既满足工艺流程，又保证安全、经济合理、美观的管道设计。
1 管道应力分析的概念管道的应力，主要是由于管道承受内压力、外部荷载以及热膨胀或冷紧等多种因数引起的。
其中热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。
对于管道上的应力，一般分为一次应力和二次应力。
一次应力是指由管道所受荷载，如所受内压力和持续外载荷等引起应力。
它是非自限性的，超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。
二次应力是指由热胀冷缩、端点位移以及支吊架设置等位移载荷所产生的应力，它是为满足位移约束条件或管道自身变形要求所必需的应力。
管道应力分析应力分析1. 进行应力分析的目的是1) 使管道应力在规范的许用范围内；2) 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准；3) 计算出作用在管道支吊架上的荷载；4) 解决管道动力学问题；5) 帮助配管优化设计。
2. 管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。
1) 静力分析包括：(l)压力荷载和持续荷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等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)管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大。
2) 动力分析包括：(l)管道自振频率分析――防止管道系统共振；(2)管道强迫振动响应分析――控制管道振动及应力；(3)往复压缩机气柱频率分析――防止气柱共振；(4)往复压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值。
3. 管道应力分析的方法管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。
选用什么分析方法，应根据管道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。
4. 对管系进行分析计算1) 建立计算模型（编节点号），进行计算机应力分析时，管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位称作节点：(1) 管道端点(2) 管道约束点、支撑点、给定位移点(3) 管道方向改变点、分支点(4) 管径、壁厚改变点(5) 存在条件变化点（温度、压力变化处）(6) 定义边界条件（约束和附加位移）(7) 管道材料改变处（包括刚度改变处，如刚性元件）(8) 定义节点的荷载条件（保温材料重量、附加力、风载、雪载等）(9) 需了解分析结果处(如跨距较长的跨中心点)(10) 动力分析需增设点2) 初步计算（输入数据符合要求即可进行计算）(1) 利用计算机推荐工况（用CASWARII计算，集中荷载、均布荷载特别加入）(2) 弹簧可由程序自动选取(3) 计算结果分析(4) 查看一次应力、二次应力的核算结果(5) 查看冷态、热态位移(6) 查看机器设备受力(7) 查看支吊架受力（垂直荷载、水平荷载）(8) 查看弹簧表3) 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）(1) 一次应力超标，缺少支架(2) 二次应力超标，管道柔性不够或三通需加强(3) 冷态位移过大，缺少支架(4) 热态水平位移过大，缺少固定点或Π型(5) 机器设备受力过大，管道柔性不够(6) 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(7) 支吊点垂直力过大，可考虑采用弹簧支吊架(8) 弹簧荷载、位移范围选择不当，人为进行调整5. 编制计算书，向相关专业提交分析计算结果1) 计算书内容(1) 一次应力校核内容(2) 二次应力校核内容(3) 约束点包括固定点、支吊点、限位导向点和位移点冷态、热态受力(4) 各节点的冷态、热态位移(5) 弹簧支吊架和膨胀节的型号等有关信息(6) 离心泵、压缩机和汽轮机的受力校核结果(7) 经分析最终确定的管道三维立体图，包括支吊架位置、形式、膨胀节位置等信息2) 向相关专业提交分析计算结果(1) 向配管专业提交管道应力分析计算书，计算书不提供给甲方(2) 向设备专业提交设备需确认的设备受力(3) 如果支撑点、限位点、导向点的荷载较大，应向结构专业提交荷载数据(4) 将往复压缩机管道布置及支架设置提交压缩机制造厂确认6. 何谓一次应力，何谓二次应力？分别有哪些荷载产生？这两种应力各有何特点？答：一次应力是指由于外加荷载，如压力或重力等的作用产生的应力。
