热力管道设计中的应力分析
热力管道设计中的应力分析
热力管道设计中的应力分析
本文对热力管道应力分析的重要性进行了简要阐述，并在此基础上，提出了热力管道应力分析的一般模式以及对管道应力分析中可能遇到的问题进行了归纳，并对解决这些问题的方法进行了相关讨论。
标签：热力管道;应力分析;荷载
1 引言
随着火力发电机组容量的增大，主蒸汽管道、再热蒸汽管道、主给水管道等热力管道的设计参数不断提高，管径及壁厚也随之加大，管道应力分析也受到越来越多的重视，有些投资方对设计单位的应力计算提出明确要求。热力管道的应力，主要是由管道承受的内压、外部荷载、偶然荷载以及热膨胀等因素引起的，管道在这些荷载作用下的应力状态十分复杂。进行应力分析与计算，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，进而满足所连接的设备对管道推力（矩）的限定，同时使管道设计尽可能经济合理。管道应力分析是热力发电厂管道工程设计的基础，对整个工程而言，通过应力分析可以优化配管、合理布置管道支吊架，以使弹簧、补偿器等管道配件方面的投资及土建投资更加合理化。
2 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，从而确定应力分析的结构参数。
2.1管系荷载的确定
管系所承受的荷载大致可以分为四类：
（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工况下的能否满足条件。
浅析热力管道设计中的应力
浅析热力管道设计中的应力
摘要：热力管道设计的重要基础就是做好管道应力分析，确保在管道设计中，做好管道强度以及安全性分析，同时控制好管道成本。热力管道应力主要的来源
就是在热力供输过程中，管道内部存在的压力会导致管道存在应力，而且外部荷
载力也会使得管道出现应力，所以把握好热力管道应力，对保障管道质量具有重
要作用。
关键词：热力管道；设计；应力分析
前言：做好管道应力分析工作，可以确保在热力管道设计中，做好管道优化
工作，而且设计单位对管道应力也十分重视，有效做好管道应力分析，不仅可以
在热力管道设计中，确保设计达到标准，同时可以提高设备生产的安全性，减少
资金成本支出。在热力容器设计过程中，需要以相关规范与标准为基础，对和在
理需要进行科学性计算，对压力容器与压力管道安全问题以及设备柔度进行全面
控制，一旦在设计中存在问题，那么在实际应用中就会出现严重的危险事故，所
以在热力管道设计中，必须要对管道应力进行全面分析。
1管道应力分析
1.1管系荷载的确定
热力管道管系所承受的荷载力大致来源于四个方面。1）压力以及温度荷载。在热力系统开启后，热力管道在运行的过程中，就会受到不同程度的压力以及温
度影响，为此，在进行设计的过程中，则需要根据实际情况，对压力以及温度的
最低影响值进行计算，确保管道能够接受最大荷载，以此保障热力供输安全。2）持续外载。其中主要包含了热力管道自身荷载，附属零部件荷载重力、管道内
介质重力以及保温材料重力等。3）热胀及端点附加位移。热力系统在启动后，
管道在处于运行状态时，管道内部介质温度会发生变化，会导致管道出现形变问题，在与管道之间连接时，由于设备温度发生变化，会使得其中端点出现附加
热力管道设计中的应力分析
热力管道设计中的应力分析
摘要：在对热力管道的工程方案设计中，进行分析时要充分考虑管线中的应
力变化，在对应力分析的过程中对可能存在的问题加以总结，最后给出了有关在
热力管线工程设计中相应的处理对策，并对具体的对策进行了讨论与剖析。
关键词：热力管线；应力分析；压力
引言
热力管线工程设计中，主要的应力范围包括管线的内部和外面以及由于压力
变化所导致的膨胀等，因此在热力管线工程设计中应力是相对地较为繁琐繁杂的，而在对应力分析进行参数测算时也需要充分考虑管线所遭受的不同外界环境产生
的应力的影响，及其对热力管线的正常使用所产生的限定影响。
1管道应力分析
在热管设计中，一般都会有很多分支结构，有些分支结构是由很多环形结构
构成的，一般都是按照三维方向来设计的，所以在热管的应力分析中，首先要考
虑到热管内部的走向，然后再根据三维设计来计算。
1.1管系荷载的确定
管系所承担的荷载一般可分成四种：
（1）第一类的热力管线工程设计中管网本身所承担的荷载与工作温度，热
力管线在工作中所承担的压力与工作温度荷载是不同的，通过热力管线的参数测
算后确定最不利的一组加以处理，避免以后由于上述问题妨碍了热力管线的正常
工作[1]。
（2）第二类是管系的承载力，它的内容包括：管内承受的基本载荷，管自
身的自重，管中的外力和内力，以及其它的载荷。
（3）第三类是管线内的温度应力膨胀和端点位置变化，热管线在架设和运营过程中受到管道的高温变化，从而使管线内热胀冷缩变化，由于在热力管线内受到高温荷载的状态下，管线边界和设备终端会因为高温的改变而产生偏移，所以需要对热力管线端点位置变化加以控制。
关于热力管道布置与应力计算思考分析
热力管道的合理布置和应力计算能够确保管道在使用过程中的安全 性和稳定性，避免因过载或不当受力导致的事故。
提高运行效率
合理的布置和应力计算有助于优化管道的流体流动，提高热能的传 输效率和系统的整体运行效果。
降低维护成本
准确的应力计算和布置方案有助于减少管道在使用过程中的维护和维 修成本，提高系统的使用寿命。
根据工艺要求和空间 限制，确定管道的标 高及与其他设备的接 口位置。
在可能的情况下，考 虑采用低位布置，以 方便介质流动和减少 能耗。
考虑管道安装和维修 的需要，预留足够的 空间和通道。
CHAPTER 02
热力管道应力计算
管道直管应力计算
弹性应力计算
01
根据材料的弹性模量和截面积，考虑管道承受的压力
色环保要求，减少对环境的影响。
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扭曲应力计算
根据弯头的扭曲半径和材料扭曲模量，考虑管道 承受的压力和温度，计算出弯头的扭曲应力。
3
剪切应力计算
根据弯头的剪切半径和材料剪切模量，考虑管道 承受的压力和温度，计算出弯头的剪切应力。
管道三通应力计算
主管与支管应力传递分析
01
根据三通的结构特点和应力传递原理，分析主管和支管之间的
应力传递关系。
应力计算
通过应力计算，可以确定管道在 不同工况下的应力分布情况，从 而进行合理的应力分配与控制。
管道设计中的应力分析和处理技巧
管道设计中的应力分析和处理技巧
刘进辉
摘要从管道应力产生的原理和处理方法出发，明确的阐述了应力处理的原则。分步叙述了管道的补偿、管道柔性分析方法的选择，图解简化计算、判断式、计算机分析中的一些技巧和方法。
主题词应力补偿
管道上的应力一般分为一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力是指由管道所受外力荷载引起的正应力和剪应力。二次应力是由于管道变形受约束所产生的正应力和剪应力。峰值应力是管件的局部结构不连续，有应力集中，或有局部热应力，附加到一次应力和二次应力的总合。一次应力和峰值应力在确定的管道和管道环境中是不会变化的，这里我想主要谈谈管道的二次应力。
由定义可知，二次应力是由于管道变形受阻而产生的，它不直接与外力相平衡，而是由管道各部分变形来适应的。在热胀推力的作用下，管道局部屈服而产生少量塑性变形时，就会使推力不在增加，塑性变形不在发展，即有自限性。对于塑性良好的材料，一次伸缩即使产生较大的变形也不会破坏。只有塑性变形在多次交变的情况下，才会引起管道的疲劳破坏。当热力管道启动时，热力由内壁向外壁传递，内外壁管道有温差，管道温度不均匀，而产生温度应力，一般计算中不考虑。不同材料的管道和管件焊接时，由于膨胀系数和弹性模量不同，当温度升高时，相连处存在热应力。此应力也属二次应力。
一、管道的补偿
在诸多因素中，温度的变化对管道应力的影响最大，而温度升高，又会降低管道的许用应力，只有当管道在工作状态下的应力小于许用应力，管道才是安全的。那么我们怎样才能解决管道由于各种界环境变化而形变带来的二次应力呢？简单的说就是“膨胀多少，补偿多少”！。管道在热胀或冷紧时不受阻，或在安全应力内受阻是我们补偿的最终目的。首先我们来明确几个重要参数：
浅议直埋敷设供热管道受力计算与应力验算
［２ 余 川 江 ， 乐 华 ， １］ 张 贾金 平 ． 电极 一 生物 复 合 反 应 器 处 理 城 市
污 水 的研 究 ［］ 环 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备 ，０ ５ ６ １ ） ［９ Ｊ． ２０ ， （ １ ： １］
［６ 朱 １］ 靖 ， 炉 生 ． 物 膜 电 极 法 处 理 高 浓 度 苯 胺 废 水 的研 许 生
ｂ ｆ ｒ ｃ ｒＪ ． ｌ ｔ ｃｉ ． ｃ ，０７ ５ ）６ ５—０ ９ ｉ ｌ ｅ ｔ ［］Ｅｅ ｒ ｈ ｏ ｍ ａ ｏ ｉ ｃ ｏ ｍｉ Ａ ｔ ２０ （２ ：０ ２６ ５ ． ａ
＝ ＋ Ｂ 。
其中 ， 为管道 的计算壁厚 ， Ｂ为管道 壁厚 附加 值。 ｍ； 能力 ， 照我国行业标准 ＣＪ３ —０ ２城市热力 网设计规 范和 ＣＪ １３ 无补 偿敷 设 的供 热管道 的局 部稳 定性验 算 按 Ｊ ４２ ０ Ｊ ． Ｔ １９ 城镇直埋供热管道工程技术规程 的要求 ， ８ —８ 本工程直埋热水 从管 道局 部看 ， 管道属于薄壁壳 体 ， 轴向压力 的作用 下 ， 在 存 管道 的应力计算采用应力分类法和安定性分析法 。
８ — ８． ５８
ｒｃ ｅ ｃｒｎｄ ｎｒｉ ｉ ｉ ｅ ｃ ｏ ｅｒ ｃ ｒＪ１Ｐ ｏｅｓ ｅｔ ｌ ｔ ｏ ｏ ａｂｏ ｌ ｌ ｔ ｅ ｔ ｌ ． ｒ ｓ ｅ ｏ ｎ ｆｍ— ｅ ｒ ｄ ａ ｏ ｃ Ｂｏｈｍ，０ ５ ４ （ ）３ ８ —３ ８ ｉ ｅ ２ ０ ，０ ８ ：３３３ ８ ． ｃ
一次应力，二次应力，偶然应力和失效准则
⼀次应⼒，⼆次应⼒，偶然应⼒和失效准则
1.在图中讲了，重量和压⼒导致的⼀次应⼒⽤热态许⽤应⼒来控制。温度引发的弯头和三通处⼆次应⼒⽤安定性条件来控制，即三倍许⽤应
⼒3*Sh。
2.我们来看⼀个热⼒直埋管道，⼤家都知道管道有锚固段，有活动段，我们看看每个部分的具体失效形式。
导致国内CJJ规范对直管应⼒评定错误采⽤安定性3*Sh，是规范编制⼈误认为完全约束段的应⼒是温度引发的，温度引发的就是⼆次应⼒，⼆次应⼒就可以⽤安定性条件来判断。
这是错误的，这地⽅的应⼒不是疲劳交变应⼒，管道仅仅处于热态受压，冷态基本⾃由。管道完全受压的破坏是失稳，不是疲劳。欧洲EN13941和俄罗斯GOST55596,以及美国的油⽓规范都是这么样做的。
管道的失效有三种：⼀次失效（管道承压问题--》爆裂，承重问题---》垮塌），⼆次失效（弯头和三通的疲劳破坏），刚度丧失（稳定性失效）。埋地管道这三种失效都有，⽽架空管道既有⼀次和⼆次失效。
导致规范编制⼈出现这样错误，是对国外规范不了解或了解不透彻，对结构失效的三种形式不清楚，以遇到温度就归为⼆次应⼒，⼀旦是⼆次应⼒就是疲劳安定性问题。
补充前⾯的讲解。
⼀次应⼒往往控制在许⽤应⼒范围内，及弹性设计。
⼆次应⼒，交变应⼒，运⾏升温⾸次过屈服，后来的冷热交变在3*Sh内，⽤弹塑性设计安定性原理来控制。
管道受压失稳，要通过临界许⽤压应⼒来控制，埋地管道失稳由于管径的变化，有整体失稳控制和局部失稳控制两个部分。我们切记，完全约束部分是失稳破坏，不是疲劳破坏。这是整个国内埋地热⼒管道设计规范和很多⼈的误区。
《供热工程》供热管道的应力计算与作用力计算
最大值作为设计依据
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15.3 直埋敷设的应力/作用力计算 15.3.1 直埋热水管道的设计理论 15.3.2 直埋热水管道的荷载 15.3.3 直埋热水管道的应力验算与受力计算
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15.3.1 直埋热水管道的设计理论
弹性分析方法
该理论不进行应力分类，温度应力的强度条件为不允许塑性 变形的弹性条件
N
15.2.4 固定支座的跨距及其受力计算
固定支座的受力计算
两个方向水平推力的作用 (1) 从安全角度出发，固定支座两侧推力只对消70％（指推 力小的一侧）
F Pt1 q1L1 0.7Pt2 qL2
15.2.4 固定支座的跨距及其受力计算
固定支座的受力计算
两个方向水平推力的作用 (2) 对内压力产生的水平推力，应如实计算其不平衡力，而 不作不作任何折扣计算
15.3.1 直埋热水管道的设计理论
城镇直埋供热管道工程技术规程 CJJ／T81-1998
规定：采用应力分类法进行直埋热力管道的强度设计 ➢ 内压应力（一次应力）要进行极限分析 ➢ 直管段的温度应力（二次应力）要进行安定性分析 ➢ 三通、弯头和折角处的峰值应力要进行疲劳分析
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15.3.2 直埋热水管道的荷载
15.2.3 管道的热伸长及其补偿
套管补偿器的受力分析
两个固定支座之间被补偿管段的长度
压力管道应力分析
压力管道应力分析
引言
压力管道作为输送流体的重要管线，承受的压力和温度都是极高的。这样就会导致管道中的应力和变形问题，从而产生一定的安全隐患。因此，对于压力管道的应力分析就显得尤为重要。
压力管道的应力
压力管道在运行过程中，会受到各种力的作用，如内压、重力、支架反力、温度等，这些力作用在管道上，就会造成管道内部的应力，如轴向应力、周向应力、径向应力等。
•轴向应力
轴向应力是指管道轴向方向的应力，通常是指由流体作用产生的内压力和拉力两部分的影响。在管道内部，如果内压力太大，轴向应力就会增大，会导致管道的卡铁暴力现象。
•周向应力
周向应力是指管道周向方向的应力，主要受到流体和温度两个因素的影响。当管道内部温度升高，周向应力也会随之升高，如果超过极限值，就可能导致管道的破裂。
•径向应力
径向应力是指与管道中心轴线垂直方向的应力，通常是由于弯曲、扭转等变形所引起的。如果弯曲半径过小或者存在缺陷，就会导致径向应力过大，从而容易引起管道的破裂。
压力管道应力分析
压力管道应力分析是针对管道内各种应力进行综合分析的过程。在分析的过程中，通常需要采用有限元分析等方法，通过建立合适的数学模型和计算，得出管道内部的应力情况和强度，并评估管道是否存在危险的可能性。
在进行应力分析时，一般需要考虑以下几个方面。
1. 材料力学性能
材料力学性能直接影响管道的使用寿命和安全性。因此，对于材料的强度、韧性、塑性等性能参数，都需要进行准确的测定和分析。常见的材料包括石墨、钢铁、铝合金等。
2. 工况分析
针对不同的工况，管道所受的力也会不同。因此，在进行应力分析之前，需要
热力管道布置与应力计算的探讨
热力管道布置与应力计算的探讨
一、引言
本文根据作者多年来所参与的热电厂施工图中主要汽水管道——主蒸汽、主给水等管道的设计，针对采用自然补偿的热力管道，其设计过程中管道的布置与应力计算进行论述，以供大家在热力管道的设计中作为参考。
二、管道布置
热力管道的布置应尽量利用其自然补偿能力，其主要原则是：调整管道的走向，以增加整个管道的柔性；利用弹簧支吊架放松约束；改变接口设备布置；对于复杂管道可用固定点将其划分成几个形状较为简单的管段，如L形、Ⅱ形、Z 形等管段；确定管道固定点位置时，使两固定点之间的管段能够自然补偿。
1.管道的荷载
管道荷載包括：重力荷载，包括管道自重、保温重、介质重、积雪重等；压力荷载，包括内压力和外压力；位移荷载，包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移等。
2.管道端点的附加位移
在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移；设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。
3.管道支吊架间距
管道支吊架间距的确定实际上就是管系承重支吊架的位置和数量的确定。对于水平连续敷设并承受均布载荷（指管道自重、介质重、隔热材料重、积雪重之和）的管道，分别根据刚度条件和强度条件计算其最大允许间距，取两者之间的最小值。
4.管道支吊架的型式
管道支吊架的用途为：承受管道的重量荷载；限制管道的位移，阻止管道发生非预期方向的位移；用来控制管道的振动、摆动或冲击。根据管道支吊架的用途可以分为两类：承重支吊架，限位支吊架。承重支吊架又分为刚性支吊架、可
管道应力分析中几个问题的探讨 邹雪松
管道应力分析中几个问题的探讨邹雪松
摘要：在进行管道设计时，首先要考虑满足工艺要求，还应使管道的设计既经
济合理又安全可靠，管道应力分析是实现这一目标的手段和方法。针对相关规范
的理解和支架设计技巧，结合长期的设计经验和应力分析理论，提出了管道应力
分析需要注意的几个问题。
关键词：管道应力，应力计算安装温度定义，简化计算，应力补偿，计算机
计算方法
1管道应力分析中如何定义安装温度
二次应力是由热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力，是个
位移应力变化范围。B31．3明确，在进行位移应力范围计算时应基于在分析的热循环内的金属最高温度与金属最低温度；在进行约束反力计算时指出，应基于金
属最高（或最低）温度与预期安装温度。
举个例子，如某管道有两种操作工况，T1=+300℃，T2=-50℃，安装环境温度21℃，CAESARⅡ软件默认会建立以下工况：
L1：W+T1+P1（OPE）
L2：W+T2+P1（OPE）
L3：W+P1（SUS）
L4：L1-L3（EXP）
L5：L2-L3（EXP）
显然，以上L4及L5都没有代表温度循环内极限的位移应力范围，不是规范
上定义的二次应力，为了校核规范应力，设计者需要另外增加一个工况：
L6：L1–L2（EXP）
根据规范，应以L6来校核二次应力，L1及L2来提热态的约束反力条件。
安装好的管道受环境温度影响，上述例子中的T1也可能是冷管停车期间管道的环境温度，T2也可能是热管停车期间管道的环境温度。设计者修改软件模型中
的安装环境温度，结果主要对操作工况下的约束反力、操作工况与安装工况之间
第 章 供热管道的应力计算
f ——热胀二次应力，取补偿器危险断面的应力值，MPa
如供热管道钢号采用 A 3 号钢，工作温度为200℃时，则热胀二次应力应不
大于：
f 1 .2 ( 1 2 4 .3 ) 0 .2 ( 1 2 4 .3 ) 1 7 4
验算补偿器应力时，采用较高的许用应力值，是基于热膨胀应力属于
二次应力范畴。利用上述应力分类法，充分考虑发挥结构的承载能力.
形式的补偿器，如自然补偿器、套管式、波纹管、方形或球形补偿器等，
其目的在于补偿该管段的热伸长，从而减弱或消除因热胀冷缩力所产生的
应力 。
第十五章 供热管道的应力计算
§15-3 管道的热伸长及其补偿
各种补偿器的结构型式及其优缺点已在第十三章述及。下面就几种 补偿器的受力分析和应力验算问题，予以简要的介绍。
B A
图15-4 常见的自然补偿管段的受力及变形示意图 (a)L型自然补偿管段；(b)直角弯自然补偿管段；(c)Z型
自然补偿管段 Lch——长臂；LD——短臂；L——中间臂
L'
第十五章 供热管道的应力计算
§15-3 管道的热伸长及其补偿
在自然补偿管段受热变形时，与方形补偿器的不同点，在于直 管段都分有横向位移，因而作用在固定支点上有两个方向的弹性 力（P x 和 P y ，见图15-4）．此外，一切自然补偿管段理论计算 公式，都是基于管路可以自由横向位移的假设条件计算得出 的．但实际上，由于存在着活动支座，它妨碍着管路的横向位移， 而使管路的应力会大．因此，采用自然补偿管段补偿热伸长时， 其各臂长度不宜采用过大数值，其自由臂长不宜大30m．同时， 短臂过短（或长臂与短臂之比过大），短臂固定支座的应力会超 过许用应力值．通常在设计手册中，常给出限定短臂的最短长 度．
热力管道受力计算与应力验算
热力管道受力计算与应力验算
1一般规定
1．1直埋敷设预制保温管道的应力验算采用应力分类法。
1．2本章适用于整体式预制保温直埋热水管道；同时，钢制内管材质应具有明显的屈服极限。
1．3直埋敷设预制保温管道在进行受力计算与应力验算时，供热介质参数和安装温度应符合下列规定：
1热水管网供、回水管道的计算压力应采用循环水泵最高出口压力加上循环水泵与管道最低点地形高差产生的静水压力。
2管道工作循环最高温度，应采用室外采暖计算温度下的热网计算供水温度；管道工作循环最低温度，对于全年运行的管网应采用30℃，对于只在采暖期运行的管网应采用10℃。
3计算安装温度取安装时当地的最低温度。
1．4单位长度直埋敷设预制保温管的外壳与土壤之间的摩擦力，应按下式计算：
c
c D D H F ⋅+=)2/(πρμ(1．4)
式中F ——轴线方向每米管道的摩擦力(N ／m)； H ——管顶覆土深度(m)；当H>1．5m 时，H 取1．5m 。
1．5保温管外壳与土壤之间的摩擦系数，应根据外壳材质和回填料的不同分别确定。对于高密度聚乙烯或玻璃钢的保温外壳与土壤间的摩擦系数，可按表1．5采用。
1．6管道径向位移时，土壤横向压缩反力系数C 宜根据当地土壤情况实测或按经验确定。管道水平位移时，C 值宜取1×106～10×106N ／m 。；对于粉质粘土、砂
质粉土回填密实度为90％～95％时，C 值可取3×106～4×106N ／m3。管道竖向向下位移时，C 值变化范围为5×106～100×106N ／m3。
1．7直埋供热管道钢材的基本许用应力，应根据钢材有关特性，取下列两式中的较小值：
供热管道的应力计算资料讲解
Kr=1.65/λ λ=RS/ rp2,
式中 rp-管子的平均半径，mm；
R-管子的弯曲半径，mm；
S-管子的壁厚，mm
λ-弯管尺寸系数。
（2）弹性力的计算方法
“弹性中心法”对方型补偿器进行应力验算时的弹性力：
Ptx
Pty=0
x EI I xo
10 3
KN
（14-8）
E-管道钢材20℃时的弹性模数，N／m2；
曲面的距离，m EI-管子的刚度，N·m2；
ymax-最大允许挠度=(O.02～O.1)DN。
根据式(14-5)和(14-6)，用试算法求解，直到L1=L2为止。
附录14-4给出按不同条件计算的管道活动支座最大允许间距表。
14-3 管道的热伸长及其补偿
管道受热的自由伸长量，可按下式计算:
∆x=α(t1-t2)L
Pm APnDtwB KN
（14-11）
式中Pn-管道内压力(表压)，Pa;
A-系数，当DN≤400mm，A=0.2;当DN>450mm时，
取A=0.175。
其余符号同式(14-25)。
计算时，应分别按拉紧螺检产生的摩擦力或由内
压力产生的摩擦力的两种情况，算出其数值后，取用
其较大值。
四、波纹管补偿器
固定支座间距必须满足的条件：
1．管段的热伸长量不得超过补偿器所允许的补偿量；
直埋供热管道新型三通加强结构应力分析
直埋供热管道新型三通加强结构应力分
析
摘要：随着中国城市集中供热规模的不断扩大,大直径直流供热管道的应用
越来越普遍,对供热网络的安全运行提出了更高的要求。其中,三通作为供热管网
的重要扩散部件,在供热管网的运行中会受到内部压力、温度、土壤限制等诸多
因素的影响。总体实力复杂;同时,由于干线连续性引起的三通孔分支,导致三通
中的连续力面积重合,三通中会产生较大的应力集中,这是供热网络的薄弱环节。
因此,研究如何加强三通以降低应力集中程度,对提高供热管网的安全性具有重要
意义。
关键词：直埋供热管道；新型三通加强结构；应力；
引言
在传统的供热管道施工过程中，利用直埋敷设的技术，使得室外供热管道的
建设更加合理化。这样能够提高施工效率，节约资源投资，降低当前维护工作的
整体难度。当前很多供热的管道使用时间较长的情况，会出现漏水问题。为了加
强供热管道的使用质量，而且使用期间能够保证管网的安全性，并且加强当前供
热管道的稳定性，避免漏水的可能性。在施工过程中，需要进行新旧管道的互换，能够提高实际的管网质量。通过直埋敷设的供热管道施工方式，提高整体的施工
质量。
1供热管道改线难点
受新建综合管廊、地铁车站结构、道路周边构建筑物影响，迁改的供热管道
需绕行至主干道路下方，敷设于地铁结构上方，同时下穿新建综合管廊。为减少
因管线的热膨胀和冷缩引起的热应力及震动，有效地延长管道寿命，避免磨损将
对系统设备、构筑物产生作用力，需增加补偿器进行调节。受地下构筑物空间限
制及后期管道维护引起的道路交通的影响，增加人工补偿器补偿无法实施，需对管道的补偿方式进行优化。
(热能工程专业论文)直埋敷设供热管道应力分析与受力计算
哈尔滨Ｊ下程大学硕士学位论文
口＝１．２ｘ１０～ｍ／ｍ－℃，供水温度疋＝１３０℃，回水温度瓦＝８０℃，管道安装温度瓦＝５℃，管内介质工作压力Ｐ＝１．６ＭＰａ．外径见＝７２０ｍｍ，内径见＝７００ｍｍ。
１．管道内压应力
分析管道内压力产生的应力时，假设管道的内压作用在管道内没有压力损失，即管道内的内压力作用是定值。数值分析时的模型可以简化为平面圆环的应力分析问题。又因为管道是轴对称的，为了方便分析不同管径的内压应力可以取管道的１／４作为几何模型（见图２．６），单元模型采用结构实体单元ｐｌａｎｅ４２，网格为Ｑｕａｄ４ｎｏｄｅ。
图２－６管道的几何模型图
ＡＮＳＹＳ分析命令流如下：
，ＰＲＥＰ７
ＥＴ，ｌ，ＰＩ，ＡＮＥ４２
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ＭＰＤＡＴＡ，ＥＸ，ｌ，，２ｅ１１
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图２－７内压应力等效变形图
图２－８内压应力等效应力图
应力分析结果：见图２．７内压应力等效变形图，图２．８内压应力等效应
图２－９径向应力分布图
图２－１１周向应力分布图
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热力管道设计中的应力分析
2009年第7期（总第128期）
袁立方（广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁 530023）
【摘要】在指出对热力管道进行应力分析重要性的基础上，提出了热力管道应力分析的一般模式以及对管道应力分析中可能遇到的问题进行了归纳，并对解决这些问题的方法进行了讨论。
【关键词】热力管道；应力分析；荷载
1 引言
随着火力发电机组容量的增大，主蒸汽管道、再热蒸汽管道、主给水管道等热力管道的设计参数不断提高，管径及壁厚也随之加大，管道应力分析也受到越来越多的重视，有些投资方对设计单位的应力计算提出明确要求。热力管道的应力,主要是由管道承受的内压、外部荷载、偶然荷载以及热膨胀等因素引起的,管道在这些荷载作用下的应力状态十分复杂。进行应力分析与计算,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,且满足所连接的设备对管道推力(矩) 的限定,同时使管道设计尽可能经济合理。管道应力分析是热力发电厂管道工程设计的基础，对整个工程而言，通过应力分析可以优化配管、合理布置管道支吊架，以使土建投资及弹簧、补偿器等管道配件方面的投资更加合理化。
2 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。
2.1 管系荷载的确定
管系所承受的荷载大致可以分为四类：
（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
最危险工况下的能否满足条件。
（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。
2.2 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。
2.3 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，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Caesar II、美国AEC Croup 公司的CAD pipe，美国AAA 公司的Triflex等。其中Caesar II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。
2.4 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。
2.5 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。
3 解决管道应力问题的常用方法
对管道进行应力分析时，往往会出现计算不能满足要求的时候，就需要采取一些措施加以解决。
3.1 应力结果不满足
通过查看应力计算的结果，我们可以看出确定是一次应力还是二次应力不能满足要求。管道在持续荷载和偶然荷载作用下的应力属于一次应力的范畴；如果一次应力不合格，可以通过减小支吊架的间距来调整。管道在热胀冷缩及端点受到约束时产生的应力属于二次应力的范畴；如果二次应力不合格，只能改变支吊架的类型或是重新布置管系。
3.2 对设备接口的推力（距）超载
对设备接口的推力或推力距超出允许值，将会对设备造成破坏，严重时会影响机组运行，设计计算时出现这种情况可试用以下几个方法处理：
（1）对于垂直方向的推力过大时，可调整端点相邻支吊架的荷重（给定该支吊架荷重）来改变推力；
（2）对于水平方向的推力过大时，可以在离开端点一定距离后，装设响应的限位支架来隔离推力；
（3）对于作用力距过大时，应分析力距方向及变形方向，用产生力距（或变形）的限位装置来减小力距。
（4）对于同一个力（或力距）分量的冷热两种状态的代数差值超过设备对冷状态和热状态的允许推力（距）值之和时，一般为管道的柔性不够，可以考虑改变管系布置，增加管道的柔性；
（5）调整冷、热态力（力距）的比值时，可以试用改变冷紧比的方法。3.3 支吊架失重
失重是应力分析中可能遇到的异常现象，是在吊零前提下协调支吊架跨