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

(西北電力設計院， 陜西 西安 710075)

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

火電廠；螺紋吊桿；最大使用荷載；許用應力。

火電廠管道螺紋吊桿是管道系統的一個重要組成部分，目前廣泛地應用于火電廠管道支吊架系統。螺紋吊桿作為管道支吊架系統的中間連接部件，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備安全穩定運行，因此需要重視螺紋吊桿的設計工作。螺紋吊桿的設計內容包括螺紋吊桿規格選擇和材質確定等，結合工程實際情況和設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力均不超過螺紋吊桿許用應力，防止螺紋吊桿發生破壞，確保火電廠管道和和相連設備安全穩定運行。

火電廠螺紋吊桿最大使用荷載是選擇和設計螺紋吊桿的重要依據，可以通過強度計算進行設計和確定。螺紋吊桿強度計算是螺紋吊桿設計計算中的一項重要內容，通過強度計算可以確保螺紋吊桿具有足夠的強度，滿足相應的設計條件要求。火電廠管道螺紋吊桿強度計算方法采用許用應力法，其主要設計參數有螺紋吊桿根部截面積、許用應力以及材質等。火電廠管道螺紋吊桿強度計算的主要依據是DL/T 5054-1996《火力發電廠汽水管道設計技術規定》以及GB/T 17116-1997《管道支吊架》等規定中的相關內容。由于DL/T 5054-1996未直接給出螺紋吊桿最大使用荷載，僅規定了強度計算的基本原則，因此不利于螺紋吊桿設計和選擇。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的使用條件，因此也影響了螺紋吊桿的準確設計和選擇。由于DL/T 5054-1996和GB/T 17116-1997關于螺紋吊桿的主要設計參數的規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，造成在相同設計條件下螺紋吊桿的規格并不相同，導致螺紋吊桿的設計和選擇出現較大爭議，直接影響了火電廠管道安全和經濟運行。為合理和準確地確定螺紋吊桿最大使用荷載，本文對螺紋吊桿相關設計參數的確定和選擇進行了分析和研究，為相關規定的制定提供理論依據，以規范和指導螺紋吊桿設計工作，確保螺紋吊桿設計經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行設計和確定。螺紋吊桿強度計算方法采用許用應力法。許用應力法是以經典的材料力學強度理論為基礎的結構強度計算方法。許用應力法的設計準則是結構在最大使用荷載作用下所求得的結構件的計算應力σ不得大于相應的許用應力 [σ]。許用應力法表達式為：

式中：σ為計算應力，由最大使用荷載計算得

到；[σ]為許用應力。

根據DL/T 5054-1996以及GB/T 17116-1997的相關規定，要求螺紋吊桿強度應按螺紋根部截面積計算，以滿足螺紋吊桿的強度要求。基于許用應力法的設計準則和表達式，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果的主要設計參數之一，應按相關規范進行計算。DL/T 5054-1996未給出螺紋吊桿根部截面積具體計算公式，導致無法準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的使用條件，不利于螺紋吊桿根部截面積的實際應用，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果準確性。

美國MSS SP-58-2002《管道支吊架-材料、設計和制造》中的相關內容也給出了螺紋根部截面積數值，并詳細說明了數據應用的前提條件和要求。MSS SP-58-2002相關規定表明M10-M48等級螺紋吊桿根部截面積數據是基于6g標準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據取自ASME B1.13M《M齒形m制螺紋》。本文主要參照MSS SP-58-2002和ASME B1.13M的相關規定，并結合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據取自GB/T 197-2003。

表1 螺紋吊桿根部截面積

3 螺紋吊桿材質選擇

火電廠管道螺紋吊桿材質應根據工作溫度選擇，不允許采用Q235A和Q345A。工作溫度按GB50019-2003《采暖通風與空氣調節設計規范》的相關規定計算和選取。室內管道的工作溫度根據夏季通風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，具體數據見《暖通空調氣象資料集》。工作溫度與根部鋼結構材質關系見表2。

表2 工作溫度與螺紋吊桿材質

火電廠管道螺紋吊桿材質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螺紋吊桿材質應選擇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螺紋吊桿材質采用Q235B，螺紋公稱直徑大于等于48mm螺紋吊桿材質采用20。

4 螺紋吊桿許用應力確定

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

針對Q235鋼許用應力選取出現的問題，中國電力規劃設計協會于2009年9月11日組織專家在上海召開了支吊架材質許用應力討論會。根據會議紀要內容，對于采用國內鋼材設計制造的支吊架零部件材質的許用拉應力按DL/T5054-1996相關規定計算，且Q235B材質的許用應力應乘0.9的質量系數。根據上述規定，可以確定Q235B鋼在20℃下的許用應力值取111.6MPa，20鋼在20℃下的許用應力值取131MPa。

參照MSS SP-58-2002的相關規定，并結合螺紋吊桿實際運行情況，確定螺紋吊桿的許用應力減弱系數取0.75，因此最終可以確定材質為Q235B鋼的螺紋吊桿許用應力為83.7MPa，材質為20鋼的螺紋吊桿許用應力為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℃。依據上述設計條件以及結合上述給出的螺紋吊桿最大使用荷載計算公式和相關設計參數結果，可以得到螺紋吊桿最大使用荷載，具體計算結果見表3。需要說明的是表3中最大使用荷載并不是實際計算結果，為保持螺紋吊桿與相關連接件順利連接，對最大使用荷載計算結果進行了圓整。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、根部截面以及材質進行對比分析，所以將GB/T 17116-1997中相關數據見表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計，未考慮偏差的影響。為方便與其它連接件匹配，本文設計的公稱直徑為48～64的螺紋吊桿材質為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力差別較大，導致螺紋吊桿最大使用荷載差別較大。為規范和指導螺紋吊桿設計工作，減少電廠的投資成本，提高電廠運行經濟性，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 結論及建議

(1)基于許用應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確計算。

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

(5)建議DL/T5054-1996和GB/T 17116-1997統一火電廠管道螺紋吊桿許用應力計算原則，確保螺紋吊桿許用應力計算結果一致性。

[1]林其略，等．管道支吊技術[M]．上海：上海科學技術出版社，1994．

[2]林毓锜，等．材料力學[M]．西安：西安交通大學出版社，1994．

[3]DL/T5054-1996，火力發電廠汽水管道設計技術規定[S]．

[4]GB/T 17116-1997，管道支吊架[S]．

[5]MSS SP-58-2002，管道支吊架-材質、設計和制造[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，從事火力發電廠熱機設計和研究工作。