高溫管道支座的熱應力分析

宋 靜 宋 會 張慶民

中材建設有限公司（100076）

工業生產中，用來輸送高溫流體的管道非常普遍。 當高溫流體進入管道時，由于流體溫度與環境溫度的差異，管壁會產生熱膨脹，由于外部約束的存在，熱變形受阻，熱應力由此產生。熱應力如果超過設備極限值，會造成設備損壞，影響正常生產運行。如果支座固定在鋼結構上，通過熱傳導作用，鋼結構的力學性能隨著溫度升高而下降，極易造成鋼結構的變形、裂紋甚至斷裂。因此，在設計階段綜合考慮溫度、自重和其他外加載荷的影響，進行管道和支座的應力分析，是避免設備出現運行事故的必要環節。

文章運用有限元軟件對管道系統的溫度場進行模擬計算，得到熱應力場的分布情況，并與不考慮溫度效應時的結構分析結果進行比較，得出高溫管道熱應力分析的必要性，為今后高溫管道系統安全運行提供理論依據。

1 模型

如圖1 所示，輸送管道直徑為Φ1 500 mm，管道壁厚為8 mm，外有200 mm 厚度的外保溫層，總長度約為23 m。 管道由滑動支座A 和滑動支座B進行約束固定，高溫氣流從管道上方進入，下部排出。

管道是用鋼板卷制焊接成的的薄壁殼體，其厚度小于板面長寬的尺寸， 屬于有限元的薄板問題。建立有限元模型時，薄板問題通常采用殼單元[1]。根據管道的幾何結構，采用殼單元建模，有限元模型如圖2 所示。

2 邊界條件

1）位移邊界條件:滑動支座A 限制管道水平方向移動，允許豎直方向自由伸縮；滑動支座B 使管道豎直方向固定約束，水平方向可以在小范圍內移動。

2）載荷:管道內部高溫氣流溫度450 ℃，滑動支座邊緣溫度264.3 ℃。內有50 mm 厚度的掛灰灰載，管道和支座自重。

圖1 管道幾何結構圖

圖2 管道有限元模型

3 熱應力分析與結果討論

由于滑動支座B 為主要約束部件，受力復雜，文章將以該支座為對象進行熱應力分析結果的探討。

3.1 靜力強度計算

為了與熱應力結果進行對比分析，在模型上單獨施加靜力載荷，進行靜力強度分析。 通過加載載荷，同時支座底板已被約束，管道和支座會產生變形，利用有限元軟件求解，可得到模型每個節點的應力和應變，其值可通過不同顏色在實體模型上呈現[2]。所得應力和變形結果如下圖所示（圖3～圖4）。

表1 數據來源于GB 150.2—2011

由圖3 可知，靜力載荷下，最大等效應力為13 MPa，最大點位于支座立筋上。由于風管重量全部壓在支座上，立筋向下傳遞壓力，并由立筋的結構形式可知，兩層立筋寬度不同，在上層立筋的彎矩作用下，最大點出現在下層立筋的內上角點與實際情況相符。

從圖4 可知，靜力結構分析下，支座幾乎沒有變形，具有良好的剛度。

圖3 靜力分析等效應力云圖

圖4 靜力分析綜合變形云圖

3.2 熱應力分析

根據給定的結構邊界溫度值， 確定計算邊界條件， 同時在計算模型上施加材料的熱特性參數，進行該模型的穩態溫度場分析，計算得到模型的溫度場分布。

圖5 熱應力分析等效應力云圖

溫度場分析得到的溫度對結構分析的應變和應力有顯著的影響，但結構的響應對熱分析結果沒有很大的影響，所以由溫度求解得到的節點溫度將在結構分析中用作體載荷。 改變單元類型，從熱分析中施加溫度體荷載，施加結構載荷，可得支座的熱應力結果。 由圖5 可知， 支座受力最大點為228 MPa＜320 MPa，強度滿足要求。 溫度作用下，支座膨脹變形，支座環形鋼板由于立筋的阻擋作用，在環形板外邊緣與立筋連接處受力最大。

4 結語

綜上，靜力作用下，支座幾乎沒有變形，具有良好的剛度，最大等效應力為13 MPa；溫度作用下，支座膨脹變形，支座受力最大點為228 MPa。

由此可知，熱應力比靜應力大很多，高溫下支座的破壞往往可能因熱應力過大而導致。 因此，對高溫管道系統進行熱分析是必要的，在結構設計強度分析時，必須進行熱應力分析。