管道应力分析及设计

摘要：随着现代工业的发展，大量高温高压管道的应用，使管道的应力分析显得尤为重要。文中阐述了电站主蒸汽管道应力分析的方法，并举例说明，为管道应力分析计算提供了可靠的模型。

关键词：管道应力；支吊架；管道设计；主蒸汽

Abstract: With the development of modern industry, the stess analysis of pipeline is particularly important for the large application of high pressure pipeline. The paper explains the methods ofthe power plant main steam pipe stress analysis, and gives illustration, providing a reliable model for pipe stress analysis.

Keywords: pipe stress; supports and hangers; pipeline design; main steam

中图分类号：[TU279.7+6]文献标识码：A

目前随着工程建设的日益大型化，所用管道的管径逐渐增大，所以管道应力分析越来越受到设计单位和投资单位的重视，也对从事管道设计的人员提出了更高的要求。要求设计人员必须具备有一定的应力分析能力，才能设计出既满足工艺流程，又保证安全、经济合理、美观的管道设计。

1 管道应力分析的概念

管道的应力，主要是由于管道承受内压力、外部荷载以及热膨胀或冷紧等多种因数引起的。其中热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。

对于管道上的应力，一般分为一次应力和二次应力。

一次应力是指由管道所受荷载，如所受内压力和持续外载荷等引起应力。它是非自限性的，超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。

二次应力是指由热胀冷缩、端点位移以及支吊架设置等位移载荷所产生的应力，它是为满足位移约束条件或管道自身变形要求所必需的应力。二次应力的特点是具有自限性，它引起的主要是疲劳破坏。

2 管道应力分析的任务

1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；

2）为了使与管系相连的设备的管日荷载在制造商或国际规范（如 NEMASM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内；

3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在 ASME Vlll的允许范围内；

4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；

5）为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移；

6）为了优化管系设计。

3 管道应力分析的方法

一般来说，下述管系必须利用应力分析软件（如 CAESARⅡ）通过计算机进行计算及分析。

① 与储罐相连的，公称管径 12”及以上且设计温度在100度及以上的管线；

② 离心式压缩机（API 617）及往复式压缩机（API618）的3”及以上的进、出口管线；

③ 蒸汽透平（NAME SM23）的入口、出口和抽提管线；

④ 泵（API 610）——公称直径 4”及以上且温度100度及以上或温度-20度及以下的吸入、排出管线；

⑤ 空冷器（API 661）——公称直径6”及以上且温度120度及以上的进、出口管线；

⑥ 加热炉（API 560）——与管口相连的6”及以上和温度200度及以上的管线；

⑦ 相当长的直管，如界区外的管廊上的管线；

⑧ 法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等；

⑨ 公称直径4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管线。

4 实例分析

以某自备电站为例讨论：该电站安装B4背压汽轮机一台，B25背压汽轮机一台，进汽参数9.8MPa，540℃；安装240t/h循环流化床锅炉2台，蒸汽参数为9.8MPa，540℃；安装减温减压器8台，进汽参数9.8MPa，540℃，根据以上参数对主蒸汽管道进行管道应力计算。

1）电算图：

2）最大应力表：

3）管端推力表：

注：以上计算得出的数据，是在设备厂家提供相应管端的初始位移的基础上计算得出。

本工程的主蒸汽管道应力分析与计算所得出的管端推力和力矩，经锅炉、汽机和减温减压器厂家核算，满足设备管端要求。在此次应力计算采用可变弹簧、恒力弹簧、滑动支架、固定支架以及冷紧多手段相结合的方式进行设计，在多次调整后达到满足应力分析的要求。

5 结论

管道应力分析与计算，是研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，从而判断管道的安全性，同时使管道设计尽可能经济合理。管道应力分析是管道设计的基础，通过应力分析可以优化管道设计，可以使管道设计更加合理化。

参考文献：

[1] 陈昊. 管道设计中关于管道应力的分析与考虑. 科技信息，2009.

[2] 宋岢岢. 工业管道应力分析与工程应用. 中国石化出版社，2011-03-01.

[3] 姜崴. 管道应力分析软件在化工设计中的应用. 山西化工，2004.

[4] 陈俊. 管道应力及固定点受力分析. 化工设计通讯，2001.

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