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【摘 要】 介绍了锅炉管道应力分析的目的；管道载荷与应力的分类；管道的柔性分析；管道的应力计算及相关问题的处理。
【关键词】 管道应力；管道载荷；应力分析；应力计算
近年来，随着我国经济的高速发展，石油化工等产业也得以蓬勃发展，不少大型电厂纷纷兴建，随之而来的就是大量锅炉管道的铺设。由于电厂的主蒸汽管道、再热蒸汽管道等均为高温高压管道，其性能状况直接影响着工作人员的人身安全和机组的正常运行，因此对管道进行应力分析以确保管道在承受相关载荷时不发生失效是非常有必要的。
一、管道应力分析的目的
管道应力分析的目的是研究管道在各种载荷作用下产生的力、力矩和应力，使其在规范的许用范围之内，并满足所连接的设备对管道推力的限定，使设计的管道在安全性能可靠的情况下尽可能的经济合理。为了满足这一要求，对于每一种载荷工况，都应遵守规定的准则级别。管道应力分析包括静力分析和动力分析：
1.1管道的静力分析
（1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算，目的是防止塑性变形破坏；
（2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算，避免疲劳破坏；
（3）计算管道对与其相连设备作用力，并使之满足标准、规范的要求，保证设备、仪器的安全；
（4）计算管道对支吊架和土建结构的作用力，保证支吊架和土建结构的安全。
1.2管道的动力分析
（1）管道自振频率分析，防止管道系统共振；
（2）管道的地震分析，防止管道在地震中发生破坏；
（3）风雪冲击和流体冲击分析，防止管道在风、雪和流体载荷冲击作用时发生事故；
（4）管道强迫振动响应分析，控制管道振动及应力。
二、管道载荷的分类
管道应力分析是要验证管路在承受各类工况单独或联合的载荷时，不发生失效。因此，正确地配置各种工况的载荷便是其中关键的一步。由于不同特征的载荷产生的应力性态及其对破坏的影响不同，因此需要对载荷进行分类。
管道系统承受的载荷一般有以下四种：
（1）静载：包括管道自身载荷（管子及其附件的重量、管内介质重量和管外保温材料的重量等）、管道系统支吊架的反力，以及其它集中和均布的载荷。
（2）压力载荷：一般把内压（外压）称为压力载荷，在不同压力、温度组合下运行的管道，通常选取最不利、最恶劣的压力温度组合来确定管道的计算压力。
（3）热膨胀载荷：管道投入运行后，因管内介质的温度变化而产生热胀冷缩使之变形；与设备相连接的管道因设备的温度变化而出现端点位移，也使管道变形。
（4）偶然性载荷：风雪载荷、地震载荷、流体冲击以及安全阀动作而产生的冲击载荷等。
三、管道应力的分类
在内压、持续外荷载以及热胀冷缩等因素的影响下，管道内产生的最大应力往往超过了材料的屈服极限，产生塑性变形，严重时甚至会直接导致管道的破坏。通常按其对管道破坏所起的作用分为以下三类：
（1）一次应力是管道承受介质内压和持续外荷载产生的应力。这些荷载使管道产生弯曲、扭转、拉伸和剪应力，其特点是随外载加大而应力相应增加，具有非自限性，超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏
（2）二次应力是管道由于热胀冷缩等变形受约束所产生的应力。它的基本特征是具有自限性，不是直接与外力相平衡，而是由管道各部分变形来协调适应的。这类应力不会直接破坏管子，但能使管道产生局部屈服和少量的塑性变形，影响管道的稳定性。
（3）峰值应力是由于载荷、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值。其特征是整个结构不产生任何显著的变形，它是疲劳破坏和脆性断裂的可能根源。
四、管道的柔性分析
管道的柔性是指管道通过自身形变吸收热胀冷缩和其他位移变形的能力。管道的柔性设计应确保管道在设计条件下具有足够的柔性，避免因热胀冷缩、端点附加位移和管道支撑设置不当等原因造成的下面的问题：
（1）管道应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏；
（2）管道连接处产生泄漏；
（3）管道推力和力矩过大，使与其相连的设备产生过大的应力和变形，影响设备正常运行。
五、管道的应力计算
应力分析计算涉及到的影响因素较多，如管道内介质压力、支吊架的反力、温差收缩膨胀引起的热应力、介质流动的冲力、以及管道制造和安装质量等等，因此，以往对一个管系作出完整的应力分析计算是十分繁琐和困难的。如今，随着计算机水平的不断提高，各种应力分析软件的问世，现在我们可以方便准确地对较大的复杂管系进行应力分析计算。下面以如今较为流行的应力分析软件AUTOPIPE（由美国Bentley公司研发的应力计算软件）为例，简述应力计算的一般步骤：
（1）首先建立计算模型，输入节点，定义边界条件，定义节点的荷载条件。所谓节点，指的是管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位，包括管道端点、管道约束点、支撑点、分支点、管径或壁厚改变点、温度或压力变化点等。
（2）然后是初步计算，一般来说，只要输入的数据符合要求即可进行计算。AUTOPIPE软件对输入的管道形状均有图形显示功能，如果输入的数据中有错误，很快就可以发现。管道的计算结果一般包括：管道各点的应力、管道上各约束的受力、管道上各点位移等。
（3）在实际的计算中，很难通过一次计算就能得到满意的结果，如一次（或二次）应力超标，冷态（或热态）位移过大，固定、限位支架水平受力过大，弹簧荷载、位移范围选择不当等等，这就需要对管道进行反复修改，直到计算结果满足标准规范要求为止。
（4）最后编制计算书，整理分析计算结果。
六、管道应力问题的处理
管道设计时，如若一次应力大于其许用应力，通常我们选择增加管道壁厚或减小支吊架间距。如果二次应力过大，可能是管道布置不合理或固定点设置不合适，为了减小管道因热胀冷缩、位移所产生的力和力矩，可以在管道中增加弯头和使管道的几何重心远离管端点（或固定点）间的连线，越遠其柔性越好。管道的布置一般采用增加弯管的自然补偿和构件补偿器补偿两种办法来改善管道的柔性。此外，还有一些常见问题诸如位移过大，支吊点或端部荷载过大，支吊点脱空等，都可以通过相应的措施进行调整解决，以达到管道设计的最优化。
七、结束语
本文从理论上分析了余热锅炉汽水管道的设计计算，进行了管道应力分析的研究。管道设计时除了要求做到选取合适材料，合理布置走向，安装支吊正确，安装维护操作方便外，还必须按国家有关规程进行投运前的监督和运行中的维护管理，保证管道使用时不超出设计条件范围，确保管道安全正常的运行。
参考文献：
[1] DL/T5054.火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].1996.
[2]王致祥等.管道应力分析与计算[M].北京：水利电力出版社，1983.
[3]唐永进.压力管道应力分析的内容及特点[J].石油化工设计，2008
【关键词】 管道应力；管道载荷；应力分析；应力计算
近年来，随着我国经济的高速发展，石油化工等产业也得以蓬勃发展，不少大型电厂纷纷兴建，随之而来的就是大量锅炉管道的铺设。由于电厂的主蒸汽管道、再热蒸汽管道等均为高温高压管道，其性能状况直接影响着工作人员的人身安全和机组的正常运行，因此对管道进行应力分析以确保管道在承受相关载荷时不发生失效是非常有必要的。
一、管道应力分析的目的
管道应力分析的目的是研究管道在各种载荷作用下产生的力、力矩和应力，使其在规范的许用范围之内，并满足所连接的设备对管道推力的限定，使设计的管道在安全性能可靠的情况下尽可能的经济合理。为了满足这一要求，对于每一种载荷工况，都应遵守规定的准则级别。管道应力分析包括静力分析和动力分析：
1.1管道的静力分析
（1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算，目的是防止塑性变形破坏；
（2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算，避免疲劳破坏；
（3）计算管道对与其相连设备作用力，并使之满足标准、规范的要求，保证设备、仪器的安全；
（4）计算管道对支吊架和土建结构的作用力，保证支吊架和土建结构的安全。
1.2管道的动力分析
（1）管道自振频率分析，防止管道系统共振；
（2）管道的地震分析，防止管道在地震中发生破坏；
（3）风雪冲击和流体冲击分析，防止管道在风、雪和流体载荷冲击作用时发生事故；
（4）管道强迫振动响应分析，控制管道振动及应力。
二、管道载荷的分类
管道应力分析是要验证管路在承受各类工况单独或联合的载荷时，不发生失效。因此，正确地配置各种工况的载荷便是其中关键的一步。由于不同特征的载荷产生的应力性态及其对破坏的影响不同，因此需要对载荷进行分类。
管道系统承受的载荷一般有以下四种：
（1）静载：包括管道自身载荷（管子及其附件的重量、管内介质重量和管外保温材料的重量等）、管道系统支吊架的反力，以及其它集中和均布的载荷。
（2）压力载荷：一般把内压（外压）称为压力载荷，在不同压力、温度组合下运行的管道，通常选取最不利、最恶劣的压力温度组合来确定管道的计算压力。
（3）热膨胀载荷：管道投入运行后，因管内介质的温度变化而产生热胀冷缩使之变形；与设备相连接的管道因设备的温度变化而出现端点位移，也使管道变形。
（4）偶然性载荷：风雪载荷、地震载荷、流体冲击以及安全阀动作而产生的冲击载荷等。
三、管道应力的分类
在内压、持续外荷载以及热胀冷缩等因素的影响下，管道内产生的最大应力往往超过了材料的屈服极限，产生塑性变形，严重时甚至会直接导致管道的破坏。通常按其对管道破坏所起的作用分为以下三类：
（1）一次应力是管道承受介质内压和持续外荷载产生的应力。这些荷载使管道产生弯曲、扭转、拉伸和剪应力，其特点是随外载加大而应力相应增加，具有非自限性，超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏
（2）二次应力是管道由于热胀冷缩等变形受约束所产生的应力。它的基本特征是具有自限性，不是直接与外力相平衡，而是由管道各部分变形来协调适应的。这类应力不会直接破坏管子，但能使管道产生局部屈服和少量的塑性变形，影响管道的稳定性。
（3）峰值应力是由于载荷、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值。其特征是整个结构不产生任何显著的变形，它是疲劳破坏和脆性断裂的可能根源。
四、管道的柔性分析
管道的柔性是指管道通过自身形变吸收热胀冷缩和其他位移变形的能力。管道的柔性设计应确保管道在设计条件下具有足够的柔性，避免因热胀冷缩、端点附加位移和管道支撑设置不当等原因造成的下面的问题：
（1）管道应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏；
（2）管道连接处产生泄漏；
（3）管道推力和力矩过大，使与其相连的设备产生过大的应力和变形，影响设备正常运行。
五、管道的应力计算
应力分析计算涉及到的影响因素较多，如管道内介质压力、支吊架的反力、温差收缩膨胀引起的热应力、介质流动的冲力、以及管道制造和安装质量等等，因此，以往对一个管系作出完整的应力分析计算是十分繁琐和困难的。如今，随着计算机水平的不断提高，各种应力分析软件的问世，现在我们可以方便准确地对较大的复杂管系进行应力分析计算。下面以如今较为流行的应力分析软件AUTOPIPE（由美国Bentley公司研发的应力计算软件）为例，简述应力计算的一般步骤：
（1）首先建立计算模型，输入节点，定义边界条件，定义节点的荷载条件。所谓节点，指的是管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位，包括管道端点、管道约束点、支撑点、分支点、管径或壁厚改变点、温度或压力变化点等。
（2）然后是初步计算，一般来说，只要输入的数据符合要求即可进行计算。AUTOPIPE软件对输入的管道形状均有图形显示功能，如果输入的数据中有错误，很快就可以发现。管道的计算结果一般包括：管道各点的应力、管道上各约束的受力、管道上各点位移等。
（3）在实际的计算中，很难通过一次计算就能得到满意的结果，如一次（或二次）应力超标，冷态（或热态）位移过大，固定、限位支架水平受力过大，弹簧荷载、位移范围选择不当等等，这就需要对管道进行反复修改，直到计算结果满足标准规范要求为止。
（4）最后编制计算书，整理分析计算结果。
六、管道应力问题的处理
管道设计时，如若一次应力大于其许用应力，通常我们选择增加管道壁厚或减小支吊架间距。如果二次应力过大，可能是管道布置不合理或固定点设置不合适，为了减小管道因热胀冷缩、位移所产生的力和力矩，可以在管道中增加弯头和使管道的几何重心远离管端点（或固定点）间的连线，越遠其柔性越好。管道的布置一般采用增加弯管的自然补偿和构件补偿器补偿两种办法来改善管道的柔性。此外，还有一些常见问题诸如位移过大，支吊点或端部荷载过大，支吊点脱空等，都可以通过相应的措施进行调整解决，以达到管道设计的最优化。
七、结束语
本文从理论上分析了余热锅炉汽水管道的设计计算，进行了管道应力分析的研究。管道设计时除了要求做到选取合适材料，合理布置走向，安装支吊正确，安装维护操作方便外，还必须按国家有关规程进行投运前的监督和运行中的维护管理，保证管道使用时不超出设计条件范围，确保管道安全正常的运行。
参考文献：
[1] DL/T5054.火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].1996.
[2]王致祥等.管道应力分析与计算[M].北京：水利电力出版社，1983.
[3]唐永进.压力管道应力分析的内容及特点[J].石油化工设计，2008