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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。
（4）第四类情况就是热管线设计中要避免产生偶然性负荷，当然还有由于气候因素，地质条件等各种因素的共同影响而对管线所形成的冲击力，但是这种负荷的产生一般都是偶然性的，而且概率也不会很大，所以一般情况下以上的这些问题都不会因为同时存在而对热力管线产生危害。
1.2荷载工况在计算热力管道的参数时，既要考虑到设备的安装和工作状况，又要在管道的安装中首先要考虑到在常温下进行。
供热管道的应力验算
九、直埋供热管道的设计
直埋管道应力验算方法 弹性分析法：北欧采用方法 弹塑性分析法：国内采用方法
2、应力验算
已知管子壁厚，进行应力验算
zs
zs
t j
Pjs Dw S C1 2 S C1
S实际选用壁厚 C1管子壁厚附加值
六、活动支座间距确定
在确保安全的前提下，尽量增大活动支座的间距， 节省投资费用。通常按照强度和刚度条件来计算， 1、按照强度条件来确定活动支座的允许间距。
八、固定支座的跨距及其受力计算
固定支座是主要受力构件，为节约投资，应尽量 加大间距，但必须满足下列条件： （1）管段的热伸长量不得超过补偿器的允许补偿 量 （2）管段因膨胀和其他作用产生的推力不得超过 支架承受的允许推力 （3）不应使管道产生纵向弯曲
固定支座受力分析
活动支座上的摩擦力产生的水平推力 补偿器产生的弹性力（热胀应力） 不平衡内压产生的水平推力 固定支座两端管径不同产生不平衡轴向推力 Pch=P.(A1-A2) 内压产生的推力 Pch=P.A P为介质压力
（2）管道由热胀冷缩和其他位移作用产生的应力称 为二次应力。 二次应力具有自限性 （3）峰值应力 它是结构形状的局部突变而引起的局部应力集中， 它的特征是不引起任何显著变形，但它是材料疲劳 破坏的主要原因。
四、供热管道应力计算的主要目的
• • • •
选定或校核钢管壁厚 确定活动支架的最大允许间距 分析固定支座受力情况，计算受力大小 计算供热管道的热伸长量，确定补偿器的结构尺 寸及其弹性力等
2、方形补偿器的选择
计算热伸长量 选择方形补偿器的形式和尺寸 根据尺寸进行应力验算 验算内容是 （1）计算规定的许用应力； （2）计算补偿器的弹性力， （3）校核最不利断面的热胀应力，即弹性力不应 超过许用应力。
直埋供热管道的应力分析及验算
强 度 破坏 是 指无 补 偿 管段 因管道 中各类 应 力 的综 合水 平 超 出其 允 许 的 当量应 力 水 平 而产 生 的断 裂或 爆 裂破 坏 。引起 强 度破 坏 的 原 因有塑 性 流动 、循环 塑 性 变形 、疲 劳破 坏 等。
３ ． １ ． １ 塑性 流 动 塑性 流 动是 指 ：由于 内压作 用 而 产生 的
一
条件 而产 生的 。 当应力 强度达 到甚 至超过屈 服 极 限时 ， 由于材料 进入 屈服 或静 力平衡 条件 得
不 到满足 ， 管道将 产生过 大变形 甚至 破坏 。 ２ ． ２ 二 次应 力 管道 由于热 胀 、冷 缩 等 变形 受 约 束而 产 生 的应力 属 于二 次 应力 。这 是 为 了满 足结 构 各 部 分之 间 的变 形 协调 而引 起 的应 力 。 当部 分 材 料超 过 屈 服极 限 时 ，由于 产生 小 量 的塑
区域供 热
２ ０ １ ３ ． ５期
直埋供热管道 的应ຫໍສະໝຸດ 分析及验算 中冶 东方 工程技 术 有 限公 司 白 云
【 摘 要】 本文分析 了直埋供热管道的应力 ， 重点介绍了管道的强度验算方式。 【 关键 词 】 直埋 供 热 管道 安 定性 分析
１ 引 言
显 著 的变形 ，但 循环 变 化 的峰 值应 力 也 会造 成 钢材 内部 结 构 的损 伤 ，导致 管 道 的局 部疲
— —
此 ．必 须保 证 管道 上 的 回填 土 达 到 足够 的埋 深， 以保证 稳 定性 。
３ ． ２ ． ２ 局部 失稳
钢 材 的弹性模 量 ， 取 １ ９ ． ６ ｘ ｌ Ｏ ４ ＭＰ ａ ； 线 性 膨 胀 系 数 ，取 １ １ ． ７ ４ ｘ ｌ Ｏ ￣ ｍ ／ 管道 内压 引起 的环 向应力 ， ＭＰ ａ 。
管道应力计算
G1
2
G2
3
G3
判断
1.7E+09
固定墩设计 1 固定墩后背土压力折减系数 2 被动土压力 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 综合抵消系数 推力系数
固定墩底面与土壤产生的摩擦力 固定墩侧面与土壤产生的摩擦力 固定墩顶面与土壤产生的摩擦力
K Ep f1 f2 f3 Ea T Kp
与土壤特性和管道刚度有关的参数
Ip Ib C К Cm Z 按4.1.6选取 (DcC/(4EIp106))0.25 l1≥2.3/К 1/(1+KК Rcφ (Ip/Ib)) Atg (φ /2)/(2К 3Ip(1+Cm)) ［α E(t1-t2)-ν σ t］A10 (Z2+(2Z/Fmin)Na)0.5-Z
给定
0.6
主动土压力
供热管道对固定墩作用力
抗滑移系数
(KEp+f1+f2+f3)/(Ea+T)
1.4
满足要求
Kp≥1.3 判断 等径等壁厚管道各种布置方式的固定墩推力 l1 长管长度 给定 短管长度 过渡段最大长度 过渡段最小长度 l2 Lmax Lmin ψ η 给定 ［α E(t1-t0)-ν σ t］A10 /Fmin ［α E(t1-t0)-ν σ t］A106/Fmax l1/l2 按l1/l2查图E.0.3-1 l1/Lmin 按l1/Lmin查图E.0.3-2 1.l1≥l2≥Lmax,0.1·Na
n ν Di
t
给定 钢材 D0-2t PdDi/(2δ ) 按计算温度查表B.0.2 按计算温度查表B.0.2 按计算温度查表B.0.1 ［nσ s-(1-ν )σ t］/(α E) 热网计算工作温度 安装时当地的最低温度 t1-t0 π /4(D02-Di2) π ρ gμ max(H+Dc/2)Dc π ρ gμ
《供热工程》供热管道的应力计算与作用力计算
安定性分析方法
该理论进行应力分类，温度应力的强度条件为不出现循环塑 性变形的安定性条件
反映了钢材塑性变形和破坏的关系，充分利用了钢材的潜力 对于运行温度在85～150oC 的直埋管道，直管段一般可不设 置补偿器，也不预热
当固定支座设置在两个不同管径间的不平衡轴向力：
Pch PF1 F2
N
当固定支座设置计 对在波算有纹截管面堵补积板偿，的器对端，于头F套为筒、波补或纹偿有管器补弯，偿F器为的以有套效筒面补积偿，
管以及阀门的管器 近段外 似，套 以管 波内的 纹压内 半产径 波生为 高的直 为径 直轴计 径向算 计力的算：圆出面的积圆Pn面积PF
管道中因温度变化产生热胀变形，热胀变形不能完全释放， 产生了较大的轴向力和轴向应力，属于二次应力 如果二次应力超过了极限状态，管道只会产生有限的塑性交 形，但会造成钢管内部结构一定程度的损伤；循环往复的塑 性变形会使管道发生破损
15.3.2 直埋热水管道的荷载
土壤轴向摩擦力
轴向摩擦力的计算
F 管道g单位土H长土壤度壤密轴摩度D2向擦管，k 摩系顶kDg擦数覆／k力，土管m，与深道3N管度保/道，m护N保m层/护的m层外材径质，和m回填土类型有关
15.3.2 直埋热水管道的荷载
温度
管道工作循环最高温度(T1)取用室外供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(T2)，对于全年运行的管网取30oC ； 对于只在供暖期运行的管网，取10 oC
计算安装温度(T0)，对于冷安装取安装时当地可能出现的最 低温度；对于预热安装取预热温度
L
L1
供热管道的应力计算.ppt
依均布荷载的连续q
m
式中 i-管道的坡度;
(14-4) 图14-1活动支座间供热管道变形示意图
1-按最大角度不大于管线坡度条件下的变形线 2-管线按允许最大挠度ymzx条件下的变形线
I-管道断面惯性矩，m 4。见附录14-3;
E-管道材料的弹性模数，N／m2。见附录14-3;
mm时，取C=0.6mm；8-25mm时，取C=0·8mm。
任何情况下管子壁厚附加值C不得小于O·5mm。
表14-1
管子壁厚允许偏差 0
-5
-8
-9
-10 -11 -12.5 -15
A1
0.05 0.105 0.141 0.154 0.167 0.18 0.20 0.235
3.选用壁厚
S≥SJ
Lmax
15[ ]W
q
m （14-3）
Lmax-供热管道活动支座的允许间距，m，
[σ]-管材的许用外载综合应力，MPa，按附录14-3确定。
W-管子断面抗弯矩，cm3，按附录14-3确定。
-管子横向焊缝系数，见表14-2， q-外载负荷作用下的管子单位长度的计算重量， N／m。见附录14-3
三、应力分类
1.一次应力 其特点是无自限性，始终随内压力或外载增 加而增大。当超过某一限度时，将使管道变形增加直至破 坏。内压力或外载力产生的应力属一次应力。
2.二次应力 由于变形受约束或结构各部分间变形协调而 引起的应力。主要特征是部分材料产生小变形或进入屈服 后，变形协调即得到满足，变形不再继续发展，应力不再 增加，即它具有自限性。管道由热胀、冷缩和其它位移作 用产生的应力认为属二次应力。
4.应力验算
如已知管壁厚度，进行应力验算时，由内压力产生的折算 应力σZS不得大于钢材在计算温度下的基本许用应力。
管道应力计算
PX,=A,αEJΔt/107L12=A,/L12·αEJΔt/107(Kg)
PY,=B,αEJΔt/107L12=B,/L12·αEJΔt/107(Kg)
我们所需要计算的管道L1为4.65m，L2为11.2m，L2/L1=2.4，夹角为φ为0。
式中：根据图10-10查得A=15，B=3.3
热力管道计算书
原始数据
序号
名称
单位
符号
数据
1
计算压力
Kg/cm2
Pjs
8
2
计算温度
℃
tjs
175
3
计算安装温度
℃
tas
20
4
管子材料
/
/
20号钢
5
管子外径
cm
Dw
15.9
6
管子内径
cm
Dn
14.7
7
管子壁厚
cm
S
0.6
8
弯管弯曲半径
mm
R
650
9
钢材在计算温度下的线膨胀系数
Cm/m.℃
αt
11.92×10-4
10
钢材在20℃时的弹性模数
Kg/cm2
Eto
2.02×106
11
钢材在计算温度下的弹性模数
Kg/cm2
Et
1.8×106
12
环向焊缝系数
/
φ
0.91
13
钢材在20℃时的基本许用应力
Kg/mm2
〔σ〕2j0\
13.67
14
钢材在计算温度下的基本许用应力
Kg/mm2
〔σ〕tj
13.67
计算数据
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：cc 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：[σ]=σb/3(1．7—1) [σ]=σb/1.5(1．7—2)常用钢材的基本许用应力[σ]、弹性模量E 和线膨胀系数a 值应符合本规程附录B 的规定。
1．8直埋预制保温管的应力验算，应符合下列规定：l 管道在内压、持续外载作用下的一次应力的当量应力，不应大于钢材在计算温度下的基本许用应力[σ]。
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管道应力分析和计算目次1 概述1.1 管道应力计算的主要工作1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法1.4 管道荷载1.5 变形与应力1.6 强度指标与塑性指标1.7 强度理论1.8 蠕变与应力松弛1.9 应力分类1.10 应力分析2 管道的柔性分析与计算2.1 管道的柔性2.2 管道的热膨胀补偿2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算2.6 冷紧2.7 柔性系数与应力增加系数2.8 作用力和力矩计算的基本方法2.9 管道对设备的推力和力矩的计算3 管道的应力验算3.1 管道的设计参数3.2 钢材的许用应力3.3 管道在内压下的应力验算3.4 管道在持续荷载下的应力验算3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算3.7 力矩和截面抗弯矩的计算3.8 应力增加系数3.9 应力分析和计算软件1 概述1.1 管道应力计算的主要工作火力发电厂管道（以下简称管道）应力计算的主要工作是验算管道在内压、自重和其他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；判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内。
管道的热胀应力应按冷、热态的应力范围验算。
管道对设备的推力和力矩应按冷状态下和工作状态下可能出现的最大值分别进行验算。
1.2 管道应力计算常用的规范、标准（1）DL/T 5366－2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程（2）ASME B 31.1－2004动力管道在一般情况下，对国内工程采用DL/T 5366进行管道应力验算。
对涉外工程或顾客有要求时，采用B 31.1进行管道应力验算。
1.3 管道应力分析方法管道应力分析方法分为静力分析和动力分析。
对于静荷载，例如：管道内压、自重和其他外载以及热胀、冷缩和其他位移荷载作用的应力计算，采用静力分析法。
城镇供热直埋热水管道应力验算方法
城镇供热直埋热水管道应力验算方法1 一般规定1.1 管道的应力验算应采用应力分类法，并应符合下列规定：1 一次应力的当量应力不应大于钢材的许用应力；2 一次应力和二次应力的当量应力变化范围不应大于3倍钢材的许用应力；3 局部应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于3倍钢材的许用应力。
1.2 进行管道应力计算时，计算参数应按下列规定取值：1 计算压力应取管道设计压力；2 工作循环最高温度应取供热管网设计供水温度；3 工作循环最低温度，对于全年运行的管道应取30℃，对于只在采暖期运行的管道应取10℃；4 计算安装温度应取安装时的最低温度；5 计算应力变化范围范围时，计算温差应采用工作循环最高温度与工作循环最低温度之差；6 计算轴向力时，计算温差应采用工作循环最高温度与计算安装温度之差。
1.3 保温管与土壤之间的单位长度摩擦力应按下式计算：⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯-+⨯⨯+=g D G D K F ρπσπμ2c v c 0421 （5.1.3-1）ϕsin 10-=K （5.1.3-2）式中：F ——单位长度摩擦力（N/m ）；μ——摩擦系数；c D ——外护管外径（m ）；v σ——管道中心线处土壤应力（Pa ）；G ——包括介质在内的保温管单位长度自重（N/m ）； ρ——土壤密度（kg/m 3），可取1800 kg/m 3； g ——重力加速度（m/s 2）； 0K ——土壤静压力系数；ϕ——回填土内摩擦角（°），砂土可取30°。
1.4 土壤应力应按下列公式计算：1 当管道中心线位于地下水位以上时的土壤应力：H g ⨯⨯=ρσv （5.1.4-1）式中：v σ——管道中心线处土壤应力（Pa ）ρ——土壤密度（kg/m 3），可取1800 kg/m 3；g ——重力加速度（m/s 2）； H ——管道中心线覆土深度（m ）； 2 当管道中心线位于地下水位以下时的土壤应力：()w sw w v H H g H g -⨯+⨯⨯=ρρσ （5.1.4-2）式中：sw ρ——地下水位线以下的土壤有效密度（kg/m 3），可取1000 kg/m 3；w H ——地下水位线深度（m ）。
管道热应力计算.xls
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供热管道的应力验算
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46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
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47、采菊东篱下，悠然见南山。
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48、啸傲东轩下，聊复得此பைடு நூலகம்。
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49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
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50、环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
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60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
供热管道的应力验算
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总 —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
第15章 供热管道的应力计算
eq
eq
o
S - a
式中
——内压折算应力，MPa； S ——管子最小实测壁厚，mm；
二、管道支吊架的跨距的计算
在确保安全运行的前提下，应尽可能扩大管道支吊架的跨距， 以节约供热管线的投资费用。管道支吊架的最大跨距(允许跨距)， 通常按强度条件和刚度条件来确定。
第十五章 供热管道的应力计算
§15-2 管壁厚度及活动支座间距的确定
对于地下敷设和室内的供热管道，外载荷重是管道的重量（对蒸汽 管包括管子荷保温结构的重量，对水管还要加上水的重量）。对于室外 架空敷设的供热管道，q值还应该考虑风载荷的影响。 （二）按刚度条件确定管道支吊架允许跨距 管道在一定的跨距下总有一定的挠度。根据对挠度的限制而确定支吊架 的允许间距，称为按刚度条件确定的支吊架允许跨距。 对具有一定坡度i的管道，如要求管道挠曲时不出现反坡，以防止最 低点处积水排不出或避免在蒸汽管道启动时产生水击，就要保证管道挠曲 后产生的最大角应变不大于管道的坡度（见图15-2管线1所示）。管道在 一定跨距下总有一定的挠度,由管道自重产生的弯曲挠度不应超过支吊架跨 距的0.005(当输水,放水坡度i=0.002时)。对于连续敷设均布载荷的水平直 管支吊架最大允许跨距，供热工程中大多按下列公式计算：
第十五章 供热管道的应力计算
§15-2 管壁厚度及活动支座间距的确定
直管计算壁厚Sc应按下列方法确定:
式中
c———直管壁厚负偏差的附加值, mm；
如已知管壁厚度，进行应力验算时，由内压力产生的折算应力不得大 于钢材在设计温度下的许用应力，即:
eq
t
第十五章 供热管道的应力计算