電廠汽水管道應力計算與分析

張二保

【摘要】本文通過對管道所受荷載及其產生應力的分析，結合AutoPSA程序計算實例，探討在汽水管道設計過程中，如何利用應力計算程序對相關管道進行靜應力分析并正確分析評價計算結果，確保管道設計的安全性和經濟性。

【關鍵詞】汽水管道；應力分析；設計

【Abstract】In this paper， through the analysis of load and stress on the pipeline， calculation with AutoPSA program， discussing in the design process of pipeline， how to use the stress calculation procedures related to the pipeline for static stress analysis and correct analysis and evaluation of the results， to ensure pipeline safety and economy of the meter.

【Key words】Steam pipe；Stress analysis；Design

1. 前言

（1）在熱電廠的設計過程中，作為重要載流設備的汽水管道的設計是否合理，對電廠的施工安裝、安全運行和生產保證都將產生重大影響。因此，在工程設計中，通過對汽水管道的應力分析與計算，研究其在各種載荷作用下所受的力，力矩和產生的應力，合理布置管道的空間走向并選擇合適的支吊架，不僅是保證管系設計安全性的重要手段之一，也可有效提高整個設計的經濟性。

2. 管道應力計算的任務及內容

管道應力計算的主要任務是驗算管道在內壓、自重和其它外載作用下所產生的一次應力和在熱脹、冷縮及位移受約束時所產生的二次應力，以判明所計算的管道是否安全、經濟、合理以及管道對設備推力和力矩是否在設備所能安全承受的范圍內。

3. 管系的荷載與應力

3.1應力合成。由不同荷載引起的管系應力可分為以下幾種：

（1）環向應力，主要由管內壓或外壓產生。

（2）軸向應力，主要由管內壓或外壓產生，或由外力或力矩作用在管軸方向產生。

（3）剪應力，主要由管系的熱脹、自重產生的扭矩及剪切力產生。

（4）其它應力，如地震、壓力脈動、汽錘等動荷載或沖擊荷載產生，通常分解為管系各部分的最大等效靜荷載。

3.2評定標準。

4.2AutoPSA管系應力分析。

（1）首先，程序規定管系的起始點一般為固定點，假想其它約束點都開放，并由此算出所有外加荷載引起的管系中各節點的位移，求出管系中各節點荷載并根據這些荷載求出管系中各單元的力、應力、位移。

（2）由于電廠汽水管道管系結構都比較復雜，在計算過程中通常要根據管系設計工況、荷載情況及邊界條件將整個管系分解為相對獨立的數個計算部分，一般應選取固定點（設備或固定支架）或管道端點作為計算分界點。本文的計算模型選取某電廠主蒸汽管至減溫減壓器管段作為計算范例。

4.3計算輸入條件。

（1）設計者在考慮以下因素后提供的工藝參數及管系設計草案，給出計算所需主要參數

（2）另外，還需根據計算程序要求，對支吊架彈簧標準、管件的應力增強系數，起始點坐標，計算坐標系，所需計算工況等進行選擇或假設。

4.4模型建立。該管系為空間三維結構，計算中模型的建立采用節點和單元結構，節點輸入三維建模方式，節點一般應選擇在管系中的支吊點、固定點、自由端、冷緊口或需關注位移點處。同時應充分理解和正確輸入管系的邊界條件如約束條件、附加位移及管系中的集中荷載。

4.5計算工況的選擇。

5. 計算結果的分析

5.1應力校核。表3給出最后的計算結果，我們可以看到，程序給出一、二次管道最大應力的節點號，許用應力值及最大應力值，最大應力點符合規范要求。

5.2位移的分析評定。應力滿足要求后，應對重要節點外的位移值進行評估，主要包括以下內容：

（1）管道位移引起的吊架吊桿偏轉角不得超過超過規范要求（<4°）。

（2）垂直管道豎向位移可能導致承重支架脫空。

（3）水平管位移超出滑動管座穩定受力范圍。

（2）支吊架荷載過小，在工作狀態下失去作用。

（3）根據荷載大小，判定支吊架是否出現脫空或頂死現象。

（4）結合節點的位移和荷載值，判斷支架形式是否可能失穩或過載。

（5）是否符合經濟性原則，如在滿足要求的前提下，支吊架的選用型式應遵從剛性支吊架>變力彈簧支吊架>恒力彈簧支吊架的原則。表4和表5給出滿足設計要求的節點位移、工作荷載、結構荷載、程序選定的彈簧表及彈簧壓縮值。

5.4對設備管嘴的推力和力矩評定。如果管道對設備管嘴推力（或力矩）過大，可能引起設備的變形或局部應力增大，對設備造成破壞。一般設備廠家會對其限值提出要求，根據計算結果值與給出值進行比較，充分滿足設備要求。

5.5分析對象的調整。 上述內容的評定要求是必須在可能范圍內同時滿足，否則應根據管系特點進行調整修改，修改的次序一般應按下列順序實行：修改支架形式>調整支吊架位置或數量>增加熱補償或冷緊措施>改變管系空間走向。當然，如果在計算結果中發現管系相關設施的富裕量較大，應考慮改變管系，縮短已有的用于增加管系柔性的空間尺寸，使整個管系在滿足可靠性的同時，又是最經濟的。

6. 結論及建議

管系的應力分析計算的目的是為管道設計服務的，作為分析前提，首先需要根據經驗、工藝要求、支撐要求和廠地情況進行初步的管系柔性設計，這是因為管系的應力分析過程實際是反復調整直到滿足要求的過程。因此，管路設計不僅是應力分析的基礎條件，好的設計還可充分減少計算結果對其的修正意見，降低設計者的工作量，提高設計工作效率。

參考文獻

[1]《壓力管道技術》 石化出版社，岳進才 2001.

[2]《石油化工化管道設計》 化工出版社，蔡爾輔 1986.

[3]《管道支吊技術》上海科技出版社，林其略、周美芳1994.

[4]《火力發電廠汽水管道設計技術規定》 DL/T 5054-1996.

[5]《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》 DL/T5366-2006.

[文章編號]1619-2737（2014）04-02-218

【摘要】本文通過對管道所受荷載及其產生應力的分析，結合AutoPSA程序計算實例，探討在汽水管道設計過程中，如何利用應力計算程序對相關管道進行靜應力分析并正確分析評價計算結果，確保管道設計的安全性和經濟性。

【關鍵詞】汽水管道；應力分析；設計

【Abstract】In this paper， through the analysis of load and stress on the pipeline， calculation with AutoPSA program， discussing in the design process of pipeline， how to use the stress calculation procedures related to the pipeline for static stress analysis and correct analysis and evaluation of the results， to ensure pipeline safety and economy of the meter.

【Key words】Steam pipe；Stress analysis；Design

1. 前言

（1）在熱電廠的設計過程中，作為重要載流設備的汽水管道的設計是否合理，對電廠的施工安裝、安全運行和生產保證都將產生重大影響。因此，在工程設計中，通過對汽水管道的應力分析與計算，研究其在各種載荷作用下所受的力，力矩和產生的應力，合理布置管道的空間走向并選擇合適的支吊架，不僅是保證管系設計安全性的重要手段之一，也可有效提高整個設計的經濟性。

2. 管道應力計算的任務及內容

管道應力計算的主要任務是驗算管道在內壓、自重和其它外載作用下所產生的一次應力和在熱脹、冷縮及位移受約束時所產生的二次應力，以判明所計算的管道是否安全、經濟、合理以及管道對設備推力和力矩是否在設備所能安全承受的范圍內。

3. 管系的荷載與應力

3.1應力合成。由不同荷載引起的管系應力可分為以下幾種：

（1）環向應力，主要由管內壓或外壓產生。

（2）軸向應力，主要由管內壓或外壓產生，或由外力或力矩作用在管軸方向產生。

（3）剪應力，主要由管系的熱脹、自重產生的扭矩及剪切力產生。

（4）其它應力，如地震、壓力脈動、汽錘等動荷載或沖擊荷載產生，通常分解為管系各部分的最大等效靜荷載。

3.2評定標準。

4.2AutoPSA管系應力分析。

（1）首先，程序規定管系的起始點一般為固定點，假想其它約束點都開放，并由此算出所有外加荷載引起的管系中各節點的位移，求出管系中各節點荷載并根據這些荷載求出管系中各單元的力、應力、位移。

（2）由于電廠汽水管道管系結構都比較復雜，在計算過程中通常要根據管系設計工況、荷載情況及邊界條件將整個管系分解為相對獨立的數個計算部分，一般應選取固定點（設備或固定支架）或管道端點作為計算分界點。本文的計算模型選取某電廠主蒸汽管至減溫減壓器管段作為計算范例。

4.3計算輸入條件。

（1）設計者在考慮以下因素后提供的工藝參數及管系設計草案，給出計算所需主要參數

（2）另外，還需根據計算程序要求，對支吊架彈簧標準、管件的應力增強系數，起始點坐標，計算坐標系，所需計算工況等進行選擇或假設。

4.4模型建立。該管系為空間三維結構，計算中模型的建立采用節點和單元結構，節點輸入三維建模方式，節點一般應選擇在管系中的支吊點、固定點、自由端、冷緊口或需關注位移點處。同時應充分理解和正確輸入管系的邊界條件如約束條件、附加位移及管系中的集中荷載。

4.5計算工況的選擇。

5. 計算結果的分析

5.1應力校核。表3給出最后的計算結果，我們可以看到，程序給出一、二次管道最大應力的節點號，許用應力值及最大應力值，最大應力點符合規范要求。

5.2位移的分析評定。應力滿足要求后，應對重要節點外的位移值進行評估，主要包括以下內容：

（1）管道位移引起的吊架吊桿偏轉角不得超過超過規范要求（<4°）。

（2）垂直管道豎向位移可能導致承重支架脫空。

（3）水平管位移超出滑動管座穩定受力范圍。

（2）支吊架荷載過小，在工作狀態下失去作用。

（3）根據荷載大小，判定支吊架是否出現脫空或頂死現象。

（4）結合節點的位移和荷載值，判斷支架形式是否可能失穩或過載。

（5）是否符合經濟性原則，如在滿足要求的前提下，支吊架的選用型式應遵從剛性支吊架>變力彈簧支吊架>恒力彈簧支吊架的原則。表4和表5給出滿足設計要求的節點位移、工作荷載、結構荷載、程序選定的彈簧表及彈簧壓縮值。

5.4對設備管嘴的推力和力矩評定。如果管道對設備管嘴推力（或力矩）過大，可能引起設備的變形或局部應力增大，對設備造成破壞。一般設備廠家會對其限值提出要求，根據計算結果值與給出值進行比較，充分滿足設備要求。

5.5分析對象的調整。 上述內容的評定要求是必須在可能范圍內同時滿足，否則應根據管系特點進行調整修改，修改的次序一般應按下列順序實行：修改支架形式>調整支吊架位置或數量>增加熱補償或冷緊措施>改變管系空間走向。當然，如果在計算結果中發現管系相關設施的富裕量較大，應考慮改變管系，縮短已有的用于增加管系柔性的空間尺寸，使整個管系在滿足可靠性的同時，又是最經濟的。

6. 結論及建議

管系的應力分析計算的目的是為管道設計服務的，作為分析前提，首先需要根據經驗、工藝要求、支撐要求和廠地情況進行初步的管系柔性設計，這是因為管系的應力分析過程實際是反復調整直到滿足要求的過程。因此，管路設計不僅是應力分析的基礎條件，好的設計還可充分減少計算結果對其的修正意見，降低設計者的工作量，提高設計工作效率。

參考文獻

[1]《壓力管道技術》 石化出版社，岳進才 2001.

[2]《石油化工化管道設計》 化工出版社，蔡爾輔 1986.

[3]《管道支吊技術》上海科技出版社，林其略、周美芳1994.

[4]《火力發電廠汽水管道設計技術規定》 DL/T 5054-1996.

[5]《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》 DL/T5366-2006.

[文章編號]1619-2737（2014）04-02-218

【摘要】本文通過對管道所受荷載及其產生應力的分析，結合AutoPSA程序計算實例，探討在汽水管道設計過程中，如何利用應力計算程序對相關管道進行靜應力分析并正確分析評價計算結果，確保管道設計的安全性和經濟性。

【關鍵詞】汽水管道；應力分析；設計

【Abstract】In this paper， through the analysis of load and stress on the pipeline， calculation with AutoPSA program， discussing in the design process of pipeline， how to use the stress calculation procedures related to the pipeline for static stress analysis and correct analysis and evaluation of the results， to ensure pipeline safety and economy of the meter.

【Key words】Steam pipe；Stress analysis；Design

1. 前言

（1）在熱電廠的設計過程中，作為重要載流設備的汽水管道的設計是否合理，對電廠的施工安裝、安全運行和生產保證都將產生重大影響。因此，在工程設計中，通過對汽水管道的應力分析與計算，研究其在各種載荷作用下所受的力，力矩和產生的應力，合理布置管道的空間走向并選擇合適的支吊架，不僅是保證管系設計安全性的重要手段之一，也可有效提高整個設計的經濟性。

2. 管道應力計算的任務及內容

管道應力計算的主要任務是驗算管道在內壓、自重和其它外載作用下所產生的一次應力和在熱脹、冷縮及位移受約束時所產生的二次應力，以判明所計算的管道是否安全、經濟、合理以及管道對設備推力和力矩是否在設備所能安全承受的范圍內。

3. 管系的荷載與應力

3.1應力合成。由不同荷載引起的管系應力可分為以下幾種：

（1）環向應力，主要由管內壓或外壓產生。

（2）軸向應力，主要由管內壓或外壓產生，或由外力或力矩作用在管軸方向產生。

（3）剪應力，主要由管系的熱脹、自重產生的扭矩及剪切力產生。

（4）其它應力，如地震、壓力脈動、汽錘等動荷載或沖擊荷載產生，通常分解為管系各部分的最大等效靜荷載。

3.2評定標準。

4.2AutoPSA管系應力分析。

（1）首先，程序規定管系的起始點一般為固定點，假想其它約束點都開放，并由此算出所有外加荷載引起的管系中各節點的位移，求出管系中各節點荷載并根據這些荷載求出管系中各單元的力、應力、位移。

（2）由于電廠汽水管道管系結構都比較復雜，在計算過程中通常要根據管系設計工況、荷載情況及邊界條件將整個管系分解為相對獨立的數個計算部分，一般應選取固定點（設備或固定支架）或管道端點作為計算分界點。本文的計算模型選取某電廠主蒸汽管至減溫減壓器管段作為計算范例。

4.3計算輸入條件。

（1）設計者在考慮以下因素后提供的工藝參數及管系設計草案，給出計算所需主要參數

（2）另外，還需根據計算程序要求，對支吊架彈簧標準、管件的應力增強系數，起始點坐標，計算坐標系，所需計算工況等進行選擇或假設。

4.4模型建立。該管系為空間三維結構，計算中模型的建立采用節點和單元結構，節點輸入三維建模方式，節點一般應選擇在管系中的支吊點、固定點、自由端、冷緊口或需關注位移點處。同時應充分理解和正確輸入管系的邊界條件如約束條件、附加位移及管系中的集中荷載。

4.5計算工況的選擇。

5. 計算結果的分析

5.1應力校核。表3給出最后的計算結果，我們可以看到，程序給出一、二次管道最大應力的節點號，許用應力值及最大應力值，最大應力點符合規范要求。

5.2位移的分析評定。應力滿足要求后，應對重要節點外的位移值進行評估，主要包括以下內容：

（1）管道位移引起的吊架吊桿偏轉角不得超過超過規范要求（<4°）。

（2）垂直管道豎向位移可能導致承重支架脫空。

（3）水平管位移超出滑動管座穩定受力范圍。

（2）支吊架荷載過小，在工作狀態下失去作用。

（3）根據荷載大小，判定支吊架是否出現脫空或頂死現象。

（4）結合節點的位移和荷載值，判斷支架形式是否可能失穩或過載。

（5）是否符合經濟性原則，如在滿足要求的前提下，支吊架的選用型式應遵從剛性支吊架>變力彈簧支吊架>恒力彈簧支吊架的原則。表4和表5給出滿足設計要求的節點位移、工作荷載、結構荷載、程序選定的彈簧表及彈簧壓縮值。

5.4對設備管嘴的推力和力矩評定。如果管道對設備管嘴推力（或力矩）過大，可能引起設備的變形或局部應力增大，對設備造成破壞。一般設備廠家會對其限值提出要求，根據計算結果值與給出值進行比較，充分滿足設備要求。

5.5分析對象的調整。 上述內容的評定要求是必須在可能范圍內同時滿足，否則應根據管系特點進行調整修改，修改的次序一般應按下列順序實行：修改支架形式>調整支吊架位置或數量>增加熱補償或冷緊措施>改變管系空間走向。當然，如果在計算結果中發現管系相關設施的富裕量較大，應考慮改變管系，縮短已有的用于增加管系柔性的空間尺寸，使整個管系在滿足可靠性的同時，又是最經濟的。

6. 結論及建議

管系的應力分析計算的目的是為管道設計服務的，作為分析前提，首先需要根據經驗、工藝要求、支撐要求和廠地情況進行初步的管系柔性設計，這是因為管系的應力分析過程實際是反復調整直到滿足要求的過程。因此，管路設計不僅是應力分析的基礎條件，好的設計還可充分減少計算結果對其的修正意見，降低設計者的工作量，提高設計工作效率。

參考文獻

[1]《壓力管道技術》 石化出版社，岳進才 2001.

[2]《石油化工化管道設計》 化工出版社，蔡爾輔 1986.

[3]《管道支吊技術》上海科技出版社，林其略、周美芳1994.

[4]《火力發電廠汽水管道設計技術規定》 DL/T 5054-1996.

[5]《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》 DL/T5366-2006.

[文章編號]1619-2737（2014）04-02-218