热网循环水管道应力分析

实用文库汇编之直埋供热管道应力及热位移的分析2006-10-31摘要：分析直埋敷设供热管道在工作温度循环变化过程中管道应力、热位移等参数的变化特点。

通过分析长直管段和短过渡段管段的工作过程中应力、热位移等参数的变化，研究了直埋敷设管道热位移对管道安全的影响。

关键词：直埋管道；供热管道；应力；热位移近年来随着城市供热管网的不断发展，热水管道直埋技术日益成熟，并越来越多地应用于城市供热工程中[1-3]»直埋敷设管道中各点的热位移、摩擦力及管逍应力等参数随供热管道升温、降温发生变化[4、5],由于管道布置形式不同，管道最不利的状态不一泄为管道达到最高工作温度及管段处于锚固段时。

有些管段因增设补偿器，使管段处于过渡段内工作，但由于管段的各种参数随着供热管道升温、降温发生变化，从而导致工作状态偏离设计状态，对管件造成破坏。

本文通过分析某种布置的管段应力、热位移的变化研究直埋管段热位移对管道安全的影响。

1直埋敷设管道的管段类型直埋敷设供热管道根据管道变形及应力分布特点一般可分为过渡段、锚囿段[5-8]o①过渡段过渡段的一端为固泄端（指固左点、驻点或锚固点），列一端为活动端（补偿器或弯头），当管道温度变化时，能产生热位移。

在过渡段的活动端处，温度变化时管段基本处于自由伸缩状态，随着温度的不断升髙，管段活动截面从活动端逐渐移向固左端，由于管段与周围上壤之间的摩擦力作用，管段热伸长受阻。

随着管段活动截面逐渐接近固左端，摩擦阻力增加至与温升产生的热应力相等，该点管道截而受力平衡，管段不能再向活动端伸长，从而进入自然锚固状态，该点即为自然锚固点。

过渡段中由于各点都有不同程度的热位移，热应力得到部分释放，因此过渡段的轴向热应力从活动端的零值逐渐增加至固泄端的最大值。

②锚固段锚固段由于受上壤摩擦力的作用，管段热伸长受阻，当管道温度发生变化时，不产生热位移。

在锚固段内管道的热伸长完全转变为轴向应力留存在管壁内，使该管段应力达到最大值。

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。

管道应力分析主要包括哪些内容，各种分析的目的是什么管道应力分析主要包括哪些内容，各种分析的目的是什么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)使装置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静力分析和动力分析,各种分析的目的是: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)管道对装置作用力的计算防止作用力太大，保证装置正常执行；(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、公称直径和所连线的装置型别等设计条件确定。

重力坝应力分析的目的是什么？目前应力分析的方法有哪几种1.进行应力分析的目的是2.1)使管道应力在规范的许用范围内；3.2)使装置管口载荷符合制造商的要求或公认的标准；4.3)计算出作用在管道支吊架上的荷载；5.4)解决管道动力学问题；6.5)帮助配管优化设计。

7.2.管道应力分析主要包括静力分析和动力分析,各种分析的目的是:8.1)静力分析包括：9.(l)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算10.防止塑性变形破坏；11.(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12.防止疲劳破坏；13.(3)管道对装置作用力的计算14.防止作用力太大，保证装置正常执行；15.(4)管道支吊架的受力计算16.为支吊架设计提供依据；17.(5)管道上法兰的受力计算18.防止法兰泄漏；19.(6)管系位移计算20.防止管道碰撞和支吊点位移过大。

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。

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∏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。

直埋供热管网穿越市政道路方案应力分析摘要：本文针对直埋供热管网穿越市政道路的方案应力进行了详细分析。

通过归纳市政道路方案设计中的常见问题和成功案例，总结了直埋供热管网与市政道路相互影响的关键因素。

随后，基于有限元分析方法，对不同方案下的应力分布进行了模拟计算，并对比了各方案的安全性和稳定性。

归纳了在实际工程中应注意的问题和解决方案，并展望了未来在直埋供热管网穿越市政道路方案设计中的发展方向。

关键词：直埋供热管网；穿越市政道路；方案引言：随着城市供热体系的不断完善和规模扩大，直埋供热管网的建设越来越普遍。

然而，在市政道路交叉处进行供热管网的穿越，由于地下空间有限和管网应力复杂等原因，给工程设计带来了一定的挑战。

因此，对直埋供热管网穿越市政道路的方案应力进行详细分析，具有重要的理论和实践意义。

1.市政道路方案设计中的关键因素1.1直埋供热管网与市政道路的相互影响在直埋供热管网与市政道路相互交叉的设计过程中，需要考虑以下因素。

直埋供热管网的布置应尽量避免对市政道路交通流畅性造成影响。

管网的施工和维护需要充分考虑市政道路的使用需求，以保证城市交通的正常运行。

管网的跨越设计需满足市政道路的安全要求，防止管道设施对行车、行人或其他市政设施的潜在危险。

1.2市政道路的结构特点与地下管线布置限制市政道路作为城市交通基础设施的重要组成部分，具有一定的结构特点和地下空间限制。

在设计直埋供热管网穿越市政道路方案时，需要考虑以下因素。

由于市政道路承载了大量行车和行人活动，直埋供热管网的施工与维护应尽可能减少对道路通行的影响。

市政道路下方还可能布置有其他管线，如给水、排水等，需要充分考虑这些管线之间的相互影响和合理布局，避免冲突和破坏。

也需要考虑市政道路的地下设施，如电缆、通信线等，以确保直埋供热管网和其他设施之间的安全运行和协调发展。

2.应力分析的模拟计算方法2.1有限元分析方法的原理和应用有限元分析是一种广泛应用于工程结构力学领域的数值计算方法。

管道应力分析和处理摘要：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。

关键词：应力补偿管道上的应力一般分为一次应力、二次应力和偶然应力。

一次应力是指由管道所受外力荷载。

它满足与外加荷载的平衡关系，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。

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。

偶然应力类似于垮塌性荷载，不持续发生，偶尔会作用。

一次应力和偶然应力在确定的管道和管道环境中是不会变化的，这里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，就会使推力不再增加，塑性变形不再发展，即有自限性。

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。

在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。

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。

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。