摘要：热力管道的应力主要是由于管道承受内压力和外部载荷以及热膨胀而引起的，管道在这些载荷作用下的应力形态是复杂的。本文介绍热力管道应力的分类，对管道应力分析的要点做了总结，以期具有一定参考意义。
关键词：热力；管道；应力
1 管道应力分析的目的
为了保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀、冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等原因造成下列的问题：
（1）管道应力过大或金属疲劳引起管道破坏；
（2）管道连接处产生泄漏；
（3）管道推力或力矩过大，使与其相连接的机器、设备产生过大的应力或变形，影响机器、设备的正常运行；
（4）管道推力或力矩大引起管道支吊架破坏。
2 管道应力的分类
管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩和其他位移等载荷作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限，使材料在工作状态发生塑性变形。高温管道的蠕变和应力松弛，也将使管系上的应力状态发生变化。对于管道上的应力，一般分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。
一次应力是指由管道所受荷载，如所受内压、持续外载、风荷载、冲击荷载等引起的正应力和剪应力。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。因此，必须为不发生材料屈服而留有适当的裕度，以防止过度的塑性变形而导致管道被破坏。
二次应力是管道由于变形受约束所产生的正应力和剪应力。如由热胀、冷缩和其他位移受约束而产生的应力。它的特征是有自限性，二次应力或一次应力对管道的作用，是一个反复交变的作用，即随着管道的启、停而产生多次交变应力。
峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部效应（包括局部应力集中）附加到一次应力或二次应力的增量。所以，温度、压力、管径、壁厚、荷载、跨距、补偿器形式等都会对应力结果产生影响。
3 管道应力分析要点
热力管道的应力，主要是由管道承受的内压力和外部荷载以及热膨胀等多种因素引起的，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管道设计的基础，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。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。
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3.1 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。
3.2 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。
3.3 计算软件的选择
目前对压力管道和压力容器均采用专用管道应力分析软件计算，国际上管道应力分析专用的计算机软件开发逐渐深入，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、管道各节点位移以及管道振动频率等。
3.4 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，例如滑动支架、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位移定为零，不受约束的方向位移自由，另外3个转角自由。固定支架约束处，3个方向位移均限定为零，另外3个转角也限定为零。
3.5 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，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。
4 结束语
本文讨论了热力管道应力分析的一般模式与问题。应力计算的重点在于保证各种输入的正确性以确保输出的正确合理。如果输入边界条件等参数存在错误，将会对输出结果造成很大的影响。因此，在进行应力分析计算时务必仔细核对输入模型的正确性。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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论文作者:张喆
论文发表刊物:《建筑科技》2017年9期
论文发表时间:2017/10/18
标签：应力论文; 管道论文; 荷载论文; 位移论文; 热力论文; 支架论文; 载荷论文; 《建筑科技》2017年9期论文;