火電廠管道螺紋吊桿最大使用荷載計算研究

劉立成，陳國強，鄭冠捷，黃興宇

(西北電力設(shè)計院， 陜西 西安 710075)

火電廠管道螺紋吊桿最大使用荷載計算研究

劉立成，陳國強，鄭冠捷，黃興宇

(西北電力設(shè)計院， 陜西 西安 710075)

火電廠管道螺紋吊桿最大使用荷載是設(shè)計和選擇螺紋吊桿的重要依據(jù)，然而現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)定給出的結(jié)果并不相同，造成在相同設(shè)計條件下選擇的螺紋吊桿規(guī)格并不相同，影響了螺紋吊桿的準(zhǔn)確設(shè)計和選擇。為規(guī)范螺紋吊桿的設(shè)計和選擇，確保火電廠的安全和經(jīng)濟運行，對螺紋吊桿最大使用荷載的相關(guān)問題進(jìn)行了分析和探討。分析和探討了與螺紋吊桿最大使用荷載有關(guān)的螺紋根部截面積計算方法、許用應(yīng)力確定以及材質(zhì)選擇等問題，并給出了相應(yīng)的措施和建議。分析和研究了螺紋吊桿最大使用荷載計算方法，基于許用應(yīng)力法給出了螺紋吊桿最大使用荷載計算結(jié)果。

火電廠；螺紋吊桿；最大使用荷載；許用應(yīng)力。

火電廠管道螺紋吊桿是管道系統(tǒng)的一個重要組成部分，目前廣泛地應(yīng)用于火電廠管道支吊架系統(tǒng)。螺紋吊桿作為管道支吊架系統(tǒng)的中間連接部件，主要起著承受管道荷載的作用，極大地影響管道和和相連設(shè)備安全穩(wěn)定運行，因此需要重視螺紋吊桿的設(shè)計工作。螺紋吊桿的設(shè)計內(nèi)容包括螺紋吊桿規(guī)格選擇和材質(zhì)確定等，結(jié)合工程實際情況和設(shè)計條件選擇合適的螺紋吊桿，保證在各種工況下螺紋吊桿計算應(yīng)力均不超過螺紋吊桿許用應(yīng)力，防止螺紋吊桿發(fā)生破壞，確保火電廠管道和和相連設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

火電廠螺紋吊桿最大使用荷載是選擇和設(shè)計螺紋吊桿的重要依據(jù)，可以通過強度計算進(jìn)行設(shè)計和確定。螺紋吊桿強度計算是螺紋吊桿設(shè)計計算中的一項重要內(nèi)容，通過強度計算可以確保螺紋吊桿具有足夠的強度，滿足相應(yīng)的設(shè)計條件要求。火電廠管道螺紋吊桿強度計算方法采用許用應(yīng)力法，其主要設(shè)計參數(shù)有螺紋吊桿根部截面積、許用應(yīng)力以及材質(zhì)等。火電廠管道螺紋吊桿強度計算的主要依據(jù)是DL/T 5054-1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》以及GB/T 17116-1997《管道支吊架》等規(guī)定中的相關(guān)內(nèi)容。由于DL/T 5054-1996未直接給出螺紋吊桿最大使用荷載，僅規(guī)定了強度計算的基本原則，因此不利于螺紋吊桿設(shè)計和選擇。盡管GB/T 17116-1997給出了螺紋吊桿最大使用荷載，由于沒有明確給出相應(yīng)的使用條件，因此也影響了螺紋吊桿的準(zhǔn)確設(shè)計和選擇。由于DL/T 5054-1996和GB/T 17116-1997關(guān)于螺紋吊桿的主要設(shè)計參數(shù)的規(guī)定存在不一致的情況，因此計算和給出的螺紋吊桿最大使用荷載并不相同，造成在相同設(shè)計條件下螺紋吊桿的規(guī)格并不相同，導(dǎo)致螺紋吊桿的設(shè)計和選擇出現(xiàn)較大爭議，直接影響了火電廠管道安全和經(jīng)濟運行。為合理和準(zhǔn)確地確定螺紋吊桿最大使用荷載，本文對螺紋吊桿相關(guān)設(shè)計參數(shù)的確定和選擇進(jìn)行了分析和研究，為相關(guān)規(guī)定的制定提供理論依據(jù)，以規(guī)范和指導(dǎo)螺紋吊桿設(shè)計工作，確保螺紋吊桿設(shè)計經(jīng)濟合理和運行安全可靠。

1 螺紋吊桿最大使用荷載計算方法

火電廠管道螺紋吊桿最大使用荷載通過強度計算進(jìn)行設(shè)計和確定。螺紋吊桿強度計算方法采用許用應(yīng)力法。許用應(yīng)力法是以經(jīng)典的材料力學(xué)強度理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)強度計算方法。許用應(yīng)力法的設(shè)計準(zhǔn)則是結(jié)構(gòu)在最大使用荷載作用下所求得的結(jié)構(gòu)件的計算應(yīng)力σ不得大于相應(yīng)的許用應(yīng)力 [σ]。許用應(yīng)力法表達(dá)式為：

式中：σ為計算應(yīng)力，由最大使用荷載計算得

到；[σ]為許用應(yīng)力。

根據(jù)DL/T 5054-1996以及GB/T 17116-1997的相關(guān)規(guī)定，要求螺紋吊桿強度應(yīng)按螺紋根部截面積計算，以滿足螺紋吊桿的強度要求。基于許用應(yīng)力法的設(shè)計準(zhǔn)則和表達(dá)式，螺紋吊桿最大使用荷載可按下式計算：

式中：Fmax為螺紋吊桿最大使用荷載，kN；

AS為螺紋吊桿根部截面積，mm2。

2 螺紋吊桿根部截面積計算方法

火電廠管道螺紋吊桿根部截面積是影響螺紋吊桿最大使用荷載計算結(jié)果的主要設(shè)計參數(shù)之一，應(yīng)按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計算。DL/T 5054-1996未給出螺紋吊桿根部截面積具體計算公式，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確計算螺紋吊桿根部截面積，最終影響螺紋吊桿最大使用荷載計算。雖然GB/T 17116-1997給出了螺紋根部截面積數(shù)值，但未考慮螺紋吊桿精度等級方面的影響和沒有給出相應(yīng)的使用條件，不利于螺紋吊桿根部截面積的實際應(yīng)用，很容易造成螺紋吊桿根部截面積誤用，影響螺紋吊桿最大使用荷載計算結(jié)果準(zhǔn)確性。

美國MSS SP-58-2002《管道支吊架-材料、設(shè)計和制造》中的相關(guān)內(nèi)容也給出了螺紋根部截面積數(shù)值，并詳細(xì)說明了數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提條件和要求。MSS SP-58-2002相關(guān)規(guī)定表明M10-M48等級螺紋吊桿根部截面積數(shù)據(jù)是基于6g標(biāo)準(zhǔn)粗螺紋的最小根部直徑計算得到的，其最小根部直徑具體數(shù)據(jù)取自ASME B1.13M《M齒形m制螺紋》。本文主要參照MSS SP-58-2002和ASME B1.13M的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合GB/T 192-2003《普通螺紋基本牙型》、GB/T 197-2003《普通螺紋公差》以及GB/T 2516-2003《普通螺紋極限偏差》等的規(guī)定，給出螺紋根部截面積計算方法，具體按下式計算：

式中：d3為最小直徑，mm，按式(4)計算。

式中：d為螺紋吊桿公稱直徑，mm；P為螺距，mm；es為螺紋吊桿直徑上偏差，mm；Td2為螺紋吊桿中徑公差，mm。

如果螺紋吊桿精度按6g級設(shè)計，利用公式(3)和(4)可以計算出螺紋吊桿根部截面積，具體見表1。表1中螺紋吊桿直徑上偏差和中徑公差數(shù)據(jù)取自GB/T 197-2003。

表1 螺紋吊桿根部截面積

3 螺紋吊桿材質(zhì)選擇

火電廠管道螺紋吊桿材質(zhì)應(yīng)根據(jù)工作溫度選擇，不允許采用Q235A和Q345A。工作溫度按GB50019-2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定計算和選取。室內(nèi)管道的工作溫度根據(jù)夏季通風(fēng)室外計算溫度及其與工作地點的允許溫差計算確定。室外管道的工作溫度采用最低日平均溫度，具體數(shù)據(jù)見《暖通空調(diào)氣象資料集》。工作溫度與根部鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)關(guān)系見表2。

表2 工作溫度與螺紋吊桿材質(zhì)

火電廠管道螺紋吊桿材質(zhì)的選擇主要取決于螺紋吊桿直徑以及與其它連接件的匹配性兩個因素。由于直徑大于64mm的Q235B材質(zhì)的圓鋼材料不均勻增加，其性能下降較多，所以直徑大于64mm螺紋吊桿材質(zhì)應(yīng)選擇20或Q345B。由于與螺紋吊桿連接的連接件為成熟和典型產(chǎn)品，為減少與螺紋吊桿連接的連接件品種，保證螺紋吊桿與連接件順利匹配連接，因此確定在工作溫度大于0℃的條件下螺紋公稱直徑小于48mm螺紋吊桿材質(zhì)采用Q235B，螺紋公稱直徑大于等于48mm螺紋吊桿材質(zhì)采用20。

4 螺紋吊桿許用應(yīng)力確定

火電廠管道螺紋吊桿許用應(yīng)力是影響螺紋吊桿最大使用荷載計算結(jié)果的另一個重要設(shè)計參數(shù)。DL/T5054-1996附錄A.1中明確在20℃下的Q235鋼許用應(yīng)力值取124MPa ，結(jié)合DL/T5054-1996中7.5.3條規(guī)定：螺紋吊桿許用應(yīng)力為附錄A.1所列數(shù)值的0.56倍，所以可以確定螺紋吊桿許用應(yīng)力為69.4MPa。然而在GB/T 17116-1997中又規(guī)定在20℃下的Q235鋼許用應(yīng)力值取83MPa，結(jié)合GB/T 17116-1997中5.3.6條規(guī)定：對于螺紋拉桿的許用應(yīng)力應(yīng)在上述基礎(chǔ)上降低25%，所以可以確定螺紋吊桿許用應(yīng)力為62MPa。顯然DL/T5054-1996和GB/T 17116-1997關(guān)于Q235鋼許用應(yīng)力選取和螺紋吊桿許用應(yīng)力減弱系數(shù)取值不同，存在明顯的矛盾，導(dǎo)致螺紋吊桿許用應(yīng)力選擇和確定出現(xiàn)了較大爭議，直接影響螺紋吊桿設(shè)計和選擇。

針對Q235鋼許用應(yīng)力選取出現(xiàn)的問題，中國電力規(guī)劃設(shè)計協(xié)會于2009年9月11日組織專家在上海召開了支吊架材質(zhì)許用應(yīng)力討論會。根據(jù)會議紀(jì)要內(nèi)容，對于采用國內(nèi)鋼材設(shè)計制造的支吊架零部件材質(zhì)的許用拉應(yīng)力按DL/T5054-1996相關(guān)規(guī)定計算，且Q235B材質(zhì)的許用應(yīng)力應(yīng)乘0.9的質(zhì)量系數(shù)。根據(jù)上述規(guī)定，可以確定Q235B鋼在20℃下的許用應(yīng)力值取111.6MPa，20鋼在20℃下的許用應(yīng)力值取131MPa。

參照MSS SP-58-2002的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合螺紋吊桿實際運行情況，確定螺紋吊桿的許用應(yīng)力減弱系數(shù)取0.75，因此最終可以確定材質(zhì)為Q235B鋼的螺紋吊桿許用應(yīng)力為83.7MPa，材質(zhì)為20鋼的螺紋吊桿許用應(yīng)力為98.25MPa。

5 螺紋吊桿最大使用荷載對比分析

火電廠管道螺紋吊桿螺紋精度按6g級考慮，工作溫度按20℃。依據(jù)上述設(shè)計條件以及結(jié)合上述給出的螺紋吊桿最大使用荷載計算公式和相關(guān)設(shè)計參數(shù)結(jié)果，可以得到螺紋吊桿最大使用荷載，具體計算結(jié)果見表3。需要說明的是表3中最大使用荷載并不是實際計算結(jié)果，為保持螺紋吊桿與相關(guān)連接件順利連接，對最大使用荷載計算結(jié)果進(jìn)行了圓整。為方便和直觀地對本文和GB/T 17116-1997中給出的螺紋吊桿最大使用荷載、根部截面以及材質(zhì)進(jìn)行對比分析，所以將GB/T 17116-1997中相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 螺紋吊桿最大使用荷載對照

從表3可以看出，本文給出的每種螺紋吊桿根部截面積小于GB/T 17116-1997提供的螺紋吊桿根部截面積，約為GB/T 17116-1997的95%左右。這是因為本文在計算螺紋吊桿根部截面積時考慮螺紋吊桿偏差的影響，而GB/T 17116-1997僅按螺紋吊桿基本小徑設(shè)計，未考慮偏差的影響。為方便與其它連接件匹配，本文設(shè)計的公稱直徑為48～64的螺紋吊桿材質(zhì)為20鋼，而GB/T 17116-1997采用Q235B。由于本文和GB/T 17116-1997采用的螺紋吊桿根部截面積以及許用應(yīng)力差別較大，導(dǎo)致螺紋吊桿最大使用荷載差別較大。為規(guī)范和指導(dǎo)螺紋吊桿設(shè)計工作，減少電廠的投資成本，提高電廠運行經(jīng)濟性，建議GB/T 17116-1997在今后修編時重新計算螺紋吊桿最大使用荷載。

6 結(jié)論及建議

(1)基于許用應(yīng)力法給出了火電廠管道螺紋吊桿最大使用荷載計算方法。

(2)在螺紋吊桿精度按6g級前提條件下，給出了螺紋吊桿根部截面積計算方法。

(3)建議GB/T 17116-1997詳細(xì)注明螺紋吊桿根部截面積使用條件，并給出螺紋吊桿根部截面積計算方法，以利于螺紋吊桿根部截面積的準(zhǔn)確計算。

(4)規(guī)定了火電廠管道螺紋吊桿許用應(yīng)力計算原則，以正確計算螺紋吊桿強度，選擇合適的螺紋吊桿，以提高電廠運行經(jīng)濟性和安全性。

(5)建議DL/T5054-1996和GB/T 17116-1997統(tǒng)一火電廠管道螺紋吊桿許用應(yīng)力計算原則，確保螺紋吊桿許用應(yīng)力計算結(jié)果一致性。

[1]林其略，等．管道支吊技術(shù)[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1994．

[2]林毓锜，等．材料力學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，1994．

[3]DL/T5054-1996，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S]．

[4]GB/T 17116-1997，管道支吊架[S]．

[5]MSS SP-58-2002，管道支吊架-材質(zhì)、設(shè)計和制造[S]．

[6]ASME B1.13M，M齒形米制螺紋[S]．

[7]GB/T 192-2003，普通螺紋基本牙型[S]．

[8]GB/T 197-2003，普通螺紋公差[S]．

[9]GB/T 2516-2003，普通螺紋極限偏差[S]．

Calculation of Most Using Load of Pipeline Whorl Steeve in Thermal Power Plant

LIU Li-cheng, CHEN Guo-qiang, ZHENG Guan-jie, HUANG Xing-yu
(Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China)

The maximum safe load has been used to design and select pipe threaded hanger rods of the thermal power plant, however its calculation result is different in the existing relational provisions , therefore threaded hanger rods speci fi cation is different under the same design condition , design and selection of pipe threaded hanger rods have been effected . In order to standardize design of threaded hanger rods , insure economy and security of the thermal power plant , some questions that are relational to the maximum safe load of threaded hanger rods have been analyzed and discussed . The problems including hanger rods root area , material selection and allowable stress certainty that are relational to the maximum safe load of pipe threaded hanger rods have been analyzed and discussed , the relevant measures and suggests have been provided . The calculation method of threaded hanger rods has been analyzed and studied , the calculation result based on allowable stress method has been provided .

thermal power plant; threaded hanger rods; maximum safe load; allowable stress.

TM621

B

1671-9913(2011)03-0043-05

2011-01-27

劉立成(1973- )，男，工程師，從事火力發(fā)電廠熱機設(shè)計和研究工作。