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
　　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。二次应力的特点是具有自限性，它引起的主要是疲劳破坏。
　　2管道应力分析的任务
　　1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；
　　2）为了使与管系相连的设备的管日荷载在制造商或国际规范（如NEMASM-23、API-610、API-617等）规定的许用范围内；
　　3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在ASMEVlll的允许范围内；
　　4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；
　　5）为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移；
　　6）为了优化管系设计。
　　3管道应力分析的方法
　　一般来说，下述管系必须利用应力分析软件（如CAESARⅡ）通过计算机进行计算及分析。
　　①与储罐相连的，公称管径12”及以上且设计温度在100度及以上的管线；
　　②离心式压缩机（API617）及往复式压缩机（API618）的3”及以上的进、出口管线；
　　③蒸汽透平（NAMESM23）的入口、出口和抽提管线；
　　④泵（API610）——公称直径4”及以上且温度100度及以上或温度-20度及以下的吸入、排出管线；
　　⑤空冷器（API661）——公称直径6”及以上且温度120度及以上的进、出口管线；
　　⑥加热炉（API560）——与管口相连的6”及以上和温度200度及以上的管线；
　　⑦相当长的直管，如界区外的管廊上的管线；
　　⑧法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等；
　　⑨公称直径4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管线。
　　4实例分析
　　以某自备电站为例讨论：该电站安装B4背压汽轮机一台，B25背压汽轮机一台，进汽参数9.8MPa，540℃；安装240t/h循环流化床锅炉2台，蒸汽参数为9.8MPa，540℃；安装减温减压器8台，进汽参数9.8MPa，540℃，根据以上参数对主蒸汽管道进行管道应力计算。
　　1）电算图：
　　
　　2）最大应力表：
　　编号 应力名称 计算值（KPa） 允许值（KPa）
　　1/A(50) 一次应力 46705.1 58449.0
　　 二次应力 21399.9 214544.1
　　1/B(108) 一次应力 44559.5 58449.0
　　 二次应力 155230.3 216690.1
　　3）管端推力表：
　　编号 六个力的分量 初期冷状态下
　　推力（N）/力矩(N.m) 管道运行初期工作状态下
　　推力（N）/力矩(N.m) 编号 六个力的分量 初期冷状态下
　　推力（N）/力矩(N.m) 管道运行初期工作状态下
　　推力（N）/力矩(N.m)
　　C(1890) Fx 0 10350 M(2650) Fx 245 2810
　　 Fy 2038 2048  Fy 4725 3465
　　 Fz 0 1657  Fz 127 -1686
　　 Mx 534 522  Mx 2832 818
　　 My 0 -8630  My 112 -44064
　　 Mz 104 119  Mz 125 9611
　　F(4590) Fx 344 -2562 P(3600) Fx 306 -4859
　　 Fy -1207 6440  Fy 5791 22542
　　 Fz -742 -17442  Fz 8 -10774
　　 Mx -1261 -3181  Mx 3597 -10053
　　 My -18 1149  My -169 -10299
　　 Mz -522 2126  Mz 787 2877
　　G(4580) Fx -191 1988 Q(3580) Fx 219 100
　　 Fy 816 -1864  Fy -1616 -6061
　　 Fz 45 3173  Fz -104 4404
　　 Mx 202 -1300  Mx -1222 -7748
　　 My 82 -224  My -144 1349
　　 Mz 51 152  Mz -100 1401
　　H(19990) Fx 231 -5294 U(3100) Fx 259 -16354
　　 Fy 5206 5308  Fy 5300 23488
　　 Fz 117 3531  Fz -34 8853
　　 Mx 237 -4819  Mx -3155 7078
　　 My 306 424  My 150 5177
　　 Mz -514 -3521  Mz 701 6650
　　I(4140) Fx 86 4991 V(3080) Fx 197 8904
　　 Fy 417 -2591  Fy -616 -7779
　　 Fz -4 -1876  Fz 72 -835
　　 Mx 149 -59  Mx 579 7699
　　 My -28 1473  My 132 -1349
　　 Mz -3 -7  Mz -171 2266
　　Z(1390) Fx 0 10350 T(2150) Fx 109 617
　　 Fy 2038 2048  Fy 6299 5736
　　 Fz 0 1657  Fz -37 -586
　　 Mx 534 522  Mx 6247 4068
　　 My 0 -8630  My -728 -10187
　　 Mz 104 119  Mz 414 2590
　　注：以上计算得出的数据，是在设备厂家提供相应管端的初始位移的基础上计算得出。
　　本工程的主蒸汽管道应力分析与计算所得出的管端推力和力矩，经锅炉、汽机和减温减压器厂家核算，满足设备管端要求。在此次应力计算采用可变弹簧、恒力弹簧、滑动支架、固定支架以及冷紧多手段相结合的方式进行设计，在多次调整后达到满足应力分析的要求。
　　5结论
　　管道应力分析与计算，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，同时使管道设计尽可能经济合理。管道应力分析是管道设计的基础，通过应力分析可以优化管道设计，可以使管道设计更加合理化。
　　参考文献：
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　　[4]陈俊.管道应力及固定点受力分析.化工设计通讯，2001.

《管道应力分析及设计》

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