管道应力分析在船舶热力管道中的应用

[摘 要]在热力管道的设计中，热力管道的应力分析越来越受到重视，在电力、石化的设计中得到了广泛的应用。船舶热力管道系统的温度、压力相对电力、石化行业较低，但是存在舱室布置和空间的限制等不利于柔性设计等因素，管道的布置和支吊架的设计难度较大。因此在进行热力管道设计时，首先要校核检验管道系统在内压、自重和其它外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力，以及管道的热位移和进出管口设备的所受推力，以判明是否满足管道本身和其端部连接设备的安全运行要求。

[关键词]管道应力；船舶；热力管道

中图分类号：U246 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0019-01

1 管道应力分析

一般而言，热力管道管系多为三维空间走向，由一条或多条主管及数条支管组成，有些管系甚至会含有一个或多个环行结构。在进行应力分析之前需根据管道走向建立管道应力分析的三维立体图，确定应力分析的结构参数。

1.1 管系荷载的确定

管系所承受的荷载大致可以分为以下四类：

（1）压力及温度荷载：热力管道可能在几种不同的压力和温度条件下运行，在计算时应根据实际情况确定最不利的一组压力和温度条件，以便计算管道在最危险的工作情况下能够满足条件。

（2）持续外载：包括管道基本载荷（管子及其附件的重量、管内介质重量、管外保温的重量等）、支吊架的反力、以及其它集中和均布的持续外载。

（3）热胀及端点附加位移：管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质的温度变化，热胀冷缩使管道发生形变；与设备相连接的管道，由于设备的温度变化而出现端点附加位移，从而对管道产生约束，使管道发生形变。

（4）偶然荷载：包括风雪荷载、地震荷载、流体冲击以及安全阀动作等而产生的冲击荷载。这些载荷都是偶然发生的临时性荷载，而且不会同时发生，在一般静力分析中，可不考虑这些荷载。

1.2 荷载工况

一般情况下，管道应力计算主要考虑安装和运行两种工况。安装工况是指管道在常温下，考虑内压、持续外载条件下管道的受力情况；运行工况是指管道在运行条件下考虑内压、自重及运行温度情况下的荷载工况。

1.3 计算软件的选择

由于计算机的不断普及，国际上出现了一批管道应力分析专用的计算机程序。其中一些程序经过不断升级和完善，软件的功能和使用的方便程度都达到了相当高的水平，现已成为国际公认和通行的管道应力分析软件。国内也出现了一些自行编制的管道应力分析程序，这些程序往往针对性和目的性较强，效率较高但功能比较单一，与国外软件相比还有一定差距，算不上真正商业化的软件。目前，使用较多的管道应力分析软件有：美国COADE公司的CaesarII、美国AECCroup公司的CADpipe，美AAA公司的Triflex等。其中CaesarII软件是进行管道静力分析和动力分析的专用程序，功能比较齐全，可考虑管道的非线性约束，如管道与支架间的摩擦力、限位支架的间隙等，通过计算可得出设备管口受力、管架受力、管道一次和二次应力、法兰受力、弹簧规格（如有弹簧支架）、管道各节点位移以及管道振动频率等。

1.4 边界条件及约束处理

施加的边界条件和约束对管道的计算至关重要，其作用与影响有时远远大于压力载荷，因而必须仔细考虑现场参数，力求给出的边界条件和约束与现场情况一致。一般热力管道的管系中有多种形式的约束：滑动支架、导向支架和固定支架等。计算模型中对上述支架对管道的约束可分别进行简化。滑动支架约束处受约束的方向（与管道轴线垂直的方向）位移定为零，不受约束的方向（轴向）位移自由，另外三个转角自由；固定支架约束处，三个方向位移均限定为零，另外三个转角也限定为零。

1.5 管道初算与调整

上述条件确定以后就可以对管系进行初算，并根据初算结果进行调整。通过查看一次应力、二次应力的计算结果，冷态、热态位移，设备接口受力，支吊架受力（垂直荷载、水平荷载），弹簧表等以确定结果是否满足计算要求并根据结果进行调整。

2 管道柔性设计

在热力管道的设计中，既要对管道进行柔性设计，满足管道热胀后的应力的要求，又要使管道具有一定的刚度，满足其强度的要求。

2.1 管道

热力管道的设计中，首先要考虑在管道上利用管道自身弯曲的自然补偿或采用“π”形补偿器、波纹管补偿器等进行补偿。对于船舶管道，受到安装位置和空间的限制，选取合适的波纹管补偿器补偿是一个有效的解决方案。

2.2 支吊架

在管道设计中，支吊架的基本作用是承受管道的自重和外载，避免产生过大的挠度，以保证管道一次应力在许用范围内。同时通过合理设置支吊架，调整和改善管系的应力分布状态，使管系二次应力满足二次应力许用值的要求并保证管系端点推力在许用范围内，减小设备管嘴的受力。

2.3 弹簧吊架

由于管道在热态时的热膨胀，会造成刚性支吊架的失载，为了消除刚性支吊架造成的失载，在水平管道上，竖直方向位移过大处会造成支吊架失载的位置设置弹簧吊架。

2.4 膨胀节

金属波纹管膨胀节依靠波纹管的变形吸收位移，是管道设计中常用的柔性组件，能够吸收设备和管道的轴向位移、横向位移，角位移等。压力平衡型波纹管能够平衡压力产生的推力，用于不允许有较大推力的场合。波纹管的压力推力载膨胀节内部被吸收，只有膨胀节产生的轴向位移所需的力作用在管道上，才能够使设备受到的推力减到最小。

在管道设计中，为补偿对受力敏感设备管口、不适合设置自然补偿的位置处的由于热膨胀产生的轴向、横向位移，减小受力敏感设备进口处受到的推力，设置压力平衡型波纹管膨胀节。

3 管道应力计算模型

3.1 计算建模

本文以船舶某管道为计算对象，采用CAESARII对管道进行建模，对管道的设计方案进行校核分析。直管压力平衡性波纹管、弯管压力平衡型波纹管根据厂家提供参建模，阀门采用刚体模型模拟。模型见图1。

3.2 载荷工况

载荷包括压力、重量、约束反力等持续载荷，热膨胀、偶然载荷以及上述载荷的组合载荷。

管道进出口两端在高温时有设备厂家给出强迫位移，弹簧吊架热吊零工作方式。

根据GB50316可查得材料在设计温度下的许用应力，相关系数根据系统运行情况选取，偶然载荷下的应力分析采用等效静态法求解。

3.3 计算

输入几何条件（管道长度、外径、壁厚等），材料条件（弹性模量、许用应力、线性热膨胀等），载荷条件（温度、压力、重力、偶然载荷以及其组合形式），软件自动选取三通、弯管部位的应力增大系数，计算后得出管道各部位的位移、应力，弹簧选型参数等。

4 结语

在实际的管道应力计算中，很多时候都不是计算一次就能得到满意的结果，这就需要我们对管道进行反复修改，以达到管道设计的最优化。总之，应力分析是热力管道设计工作的重点，对管道设计具有重要意义。

参考文献

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