火電廠熱力管道二次應力優化分析

閆曉東

摘? 要：對管道應力分析基本荷載工況做了討論，并建立了管道分析簡化模型，對二次應力產生的原因進行了詳細的理論分析，明確了Π型彎對減小二次應力的作用。對Π型彎各個參數與二次應力的關系進行了計算對比，其結果對實際管道布置及調整起到一定的指導作用。

關鍵詞：二次應力;應力分析;荷載工況;Π型彎

中圖分類號：U173? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0061-03

Abstract： The basic load case for piping stress analysis is discussed in the paper， a simplified model is also built for detail theoretical stress analysis to find out where the secondary stresses come from. According to the analysis， a Π-type bending is significant for the secondary stresses reducing， the different results of the secondary stresses are compared when the shape of the Π-type bending changes， the results are useful in piping arrangement and modification for real work.

Keywords： secondary stresses; stress analysis; load case; Π-type bending

引言

火力發電廠汽水管道應力分析是管道布置過程中不可缺少的一個環節，其主要工作是驗算管道在內壓、自重和其他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;判斷計算管道的安全性、經濟性、合理性，以及管道對設備產生的推力和力矩應在設備所能安全承受的范圍內[1]。因此，管道應力分析不僅僅是簡單計算一下管道的應力，它是一個擴展的概念。

一般來講，管道應力分析可以劃分為靜態應力分析和動態應力分析兩部分[2，3]。在火電廠汽水管道設計過程中，一般針對四大管道等主要管系要求考慮動態荷載對管道的影響，其余部分管道只考慮靜態荷載影響。同時，動態分析需要疊加靜態分析的結果作為動態分析的最終結果，因此管道靜態分析是基礎，本文的討論圍繞靜態分析展開。

管道靜態應力分析中，首先要清楚需要計算的工況，明確分析中可能出現的荷載，只有工況設置合理，所分析的結果才對工程應用有指導意義。工況設置正確后，所得到的靜態應力分析結論一般包含以下三方面內容：應力安全、推力和力矩安全、支吊架選型合理。應力安全是指一次應力和二次應力都不應超過對應工況的許用應力，這是應力計算的基本要求，只有應力達標的情況下才有可能進行推力、力矩及支吊架選型的進一步分析、調試。

1 靜態應力分析基本工況的設置

1.1 靜態荷載

靜態荷載指內壓、自重、其他外載、熱脹、冷縮及位移[1]。其中前三個影響一次應力，后三個影響二次應力。

各荷載的符號可規定如下[4]：

P-內壓

W-自重

F-其他外載

T-溫度，產生熱脹和冷縮

D-位移

內壓指管道工作時的設計壓力，一般為表壓;自重即管道自身重量，包括鋼管重量，保溫重量和介質重量;其他外載指其他持續外載，即不隨時間急劇變化的荷載，如雪載等;溫度指管道正常工作時的設計溫度;位移指設備管嘴熱位移或者相連管道上由于其他原因需要分開計算時連接處的熱位移，包括線位移和角位移。

1.2 靜態基本荷載工況設置

火電廠中需要應力分析的主要管道一般包含以下內容：主蒸汽系統管道、再熱系統管道、再冷系統管道、高壓給水管道、中壓和低壓進汽管道、各級抽汽管道、各級疏水管道、安全閥后排汽管道、凝結水系統管道、中低壓給水管道、鍋爐定期或連續排污管道、給水再循環管道等。

在實際工程中，這些主要管道一般安裝在主廠房內，因此可以不考慮其他持續外載的影響。對于靜態分析，可以定義四個基本荷載工況：操作工況、持續工況、熱脹工況、結構荷載工況。

L1=W+P+T+D （操作工況）

L2=W+P （持續工況）

L3=L1-L2 （熱脹工況）

L4=1.4L2+L3 （結構荷載工況）

操作工況指管道正常工作時的工況;持續工況指管道運行初期的冷態工況，此時沒有溫度作用，只有自重及內壓存在;熱脹工況指只考慮溫度變化的工況，和溫度有關的荷載為T和D，但是此時不能由T+D得出，該工況是反映操作工況中去除持續工況荷載影響后的一種狀態;結構荷載主要針對支吊架設計時拉桿強度及根部承受能力進行校核，結構荷載計算時自重荷載應乘以荷載修正系數，荷載修正系數可取1.4[5]。

通過以上工況的組合，我們可以得到靜態應力分析所需的所有結果。首先一次應力和二次應力分別通過L2和L3工況得出;對設備管嘴的冷態推力和熱態推力可以分別通過L2和L1工況的計算結果得出;對于彈簧選型所需的工作荷載、熱位移、結構荷載可分別通過L1、L3和L4得出。

2 管道二次應力優化分析

管道應力優化分析的主要工作是減小管道中的一次應力和二次應力，使一次應力和二次應力的計算結果在各自許用應力范圍內。