【摘要】熱管道在國內的使用領域很廣，在國內很多能源的輸送過程中都需要用到熱管道，因此熱管道布置和應力分析問題需要得到我們的重視，本文將從以下幾個方面來分析熱管道布置和應力分析的問題。
【關鍵詞】熱管道；布置；應力；分析
中圖分類號：TE832 文獻標識碼：A 文章編號：
一、前言
熱管道布置會影響熱管道的使用效果，而熱管道的應力分析也是安裝熱管道的重要環(huán)節(jié)之一。因此，我們對熱管道布置和應力分析進行研究很有現(xiàn)實意義，研究的結果將能夠進一步的提高熱管道的使用效果。
二、熱力管道的特性
熱力管道除具有一般內壓管道的特性外，管道輸送熱介質時還具有明顯的軸向應力和軸向位移，需正確使用各種管托及采取補償措施來吸收應力和抵消位移。若沒有合理的補償，管道伸縮會受阻，在管道內部引起很大的內力，會破壞焊縫、引起或加速焊縫應力腐蝕，損壞管件、支架、閥門及儀表一次部件等，因此熱力管道的重中之重是熱力補償器和管托的設置和安裝。常見的補償有自然補償和補償器補償。自然補償?shù)难a償量小且管道產生橫向位移大，因此采用補償器進行補償是行之有效的途徑。
三、設計的基本原則
熱力管道設計應遵循以下基本原則：
1、滿足工藝要求，達到生產需要；
2、為安裝施工和維修操作與管理提供方便；
3、創(chuàng)造安全運行環(huán)境；
4、管道走向合理，結構形式與組件組合適當
5、排列規(guī)范有序
6、合理選擇材料，力求經濟可靠。
熱力管道區(qū)別于其他管道的最大特點是關于它的熱應力（即鋼材熱脹冷縮時產生的力），也稱為二次應力。對于常溫管道在設計時只作一次應力（即由管道內壓和作用于管道的持續(xù)外載而在管道內部產生的正應力或剪應力）分析，它是結構為滿足靜力平衡條件而產生的，當應力達到或超過屈服極限時，材料進入屈服狀態(tài)，靜力平衡條件得不到滿足，管道會產生變形直至破壞。而對于熱力管道除進行一次應力分析外，更重要的是要重視對二次應力影響的分析和控制，從而保證熱力管道的質量與安全。
四、管道應力分類和任務
1、應力分類
管道在內壓、持續(xù)外載以及熱脹、冷縮和其它位移等載荷作用下，其最大應力往往超過材料的屈服極限，使材料在工作狀態(tài)下發(fā)生塑性變形，另外高溫管道的蠕變和應力松弛，也將使管系上的應力狀態(tài)發(fā)生變化。對于不同種類的應力應當區(qū)別對待，根據它可能產生的效應和對于破壞所起的作用不同，給與不同的限定。管道上的應力，一般分析一次應力、二次應力和峰值應力三類。一次應力(Primary Stress)是指由于外加荷載，如壓力和重力等的作用而產生的應力。一次應力的特點是：滿足與外加荷載的平衡關系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當其值超過材料的屈服極限時，管道將產生塑性變形而破壞。管道承受的介質內壓、自重、介質重量等持續(xù)外荷載而產生的應力屬于一次應力。二次應力(Secondary Stress)是由于管道變形受到約束而產生的應力，它不直接與外力平衡，二次應力的特點就是具有自限性，當管道局部屈服和產生小量變形時應力就能降下來。二次應力過大時，將使管道產生疲勞破壞。在管道中，二次應力一般由熱脹冷縮和端點位移引起。峰值應力(Peak Stress)是管道或附件由于局部結構不連續(xù)或局部熱應力效應(包括局部應力集中)附加到一次應力或二次應力的增量。
2、管道應力分析的任務
（一）為了使管道和管件內的應力不超過許用應力值；
�。ǘ榱耸古c管系相連的設備的管日荷載在制造商或國際規(guī)范（如NEMASM-23、API-610、API-617等）規(guī)定的許用范圍內；
�。ㄈ榱耸古c管系相連的設備管口的局部應力在ASMEV的允許范圍內；
�。ㄋ模榱擞嬎愎芟抵兄Ъ芎图s束的設計荷載；
�。ㄎ澹榱诉M行操作工況碰撞檢查而確定管于的位移；
�。榱藘�(yōu)化管系設計。
五、熱管道布置與應力分析
1、熱管道布置
根據多年來熱管道布置與應力分析的經驗，盡量依據下述原則布置的管道，其應力較易驗算合格，管端推力和力矩較易滿足要求。對于平面管系，管道布置應根據現(xiàn)場情況通過設置合適的固定點使管道布置成柔性較大的管系形狀，如:“L’’形、“II”形、“S”形、“Z”形、形等。對于立體管系，管道布置應盡量按照“正方體邊線”形狀布置。如汽輪機進汽主蒸汽管為減少對汽輪機管口的力和力矩，其管道形狀常布置成環(huán)形形。對于長距離熱管系，管道布置應通過設置合適的固定點使管系簡化，兩固定點間管道采用“II”形、“立體II”形補償器補償。
對管道形狀進行布置后，就必須確定管道支吊架的間距、型式。管支吊架間距必須滿足兩個條件:
(一)強度條件，管道附件的重量以及其它荷載引起管道產生的彎曲應力不超過許用值。
式中，q—管道的單位荷重，kg/m
W—管道斷面抗彎矩
—管道的環(huán)向焊縫系數(shù)
—管材在熱態(tài)時的基本許用應力，
(二)剛度條件，即限制管道的撓度值。
I—管道斷面慣性矩，
根據上述條件確定管道基本跨距為水平直管支吊架間距。對于水平方向改變的管道，其管道支吊架間距為水平直管支吊架間距的0.73倍。管道支吊架有:滑動、導向、固定、彈吊支、剛吊等，支吊架型式的選用視現(xiàn)場情況或應力分析結果而定。對于長管道兩固定支架間用II形、立體II形補償器補償?shù)墓潭c最大間距的確定，應根據①補償器的尺寸；②現(xiàn)場實際情況；③管托、支架、管道間允許的熱位移量；④固定點最大允許間距表等方面綜合考慮。對于“L”形、“Z”形自然補償，其臂長應盡量相等，其臂長之和不得大于水平管道固定點最大允許間距的0.7—0.8倍。
2、管系是否作完整應力分析的判別
經過初步布置的管系，若逐一計算每一根管道的話，必將耗費大量的人工時。一般地，輸送非有毒介質的常溫管道按照上述方法布置的管道可不作完整應力分析。對能滿足下列判別式的管系，也可以不作完整應力分析。
除此以外的所有管系均需作應力分析，特別是高溫、高壓管線，與泵、汽輪機、壓縮機等連接的熱管線。
3、管道應力分析及管道布置調整
管道應力分析的目的：
進行管道應力分析的目的，根據工程上的要求，主要有以下幾個方面：(一)為了使管道應力在規(guī)范的許用范圍內；(二)為了使設備管口荷載符合制造商或公認的標準；(三)為了使與管道連接的容器應力保持在其規(guī)定的許用范圍內；(四)為了計算出各種支撐及約束的設計載荷；(五)為了確定因各種沖擊所導致的管道位移；(六)解決管道動力學問題，如管道的機械振動，流體錘等；(七)幫助配管優(yōu)化設計。
管道應力分析步驟:
(一)對已經布置好的管系劃分計算范圍。
(二)初步決定管道的支吊點型式。對于水平管道常布置為滑動點、吊架等，對有垂直位移的管道常布置為彈簧支吊點，具體確定可通過全彈簧計算確定。
(三)對管系進行應力分析計算。
(四)根據管道應力分析結果，對管道布置進行調整，對各支點位置、支點型式進行調整，直至管道應力及管端、各支點作用力及力矩符合要求為止。
(五)將管端推力和力矩作為外載荷，校核和管端相連的設備、機泵等機械強度，管端的最大推力和力矩應能滿足設備安全承受的要求。管端的推力和力矩過大的調整方法有①合適位置加合適量冷緊；②調整管系形狀，增大柔性。③管端附近加設導向支架等。
(六)管道固定點的力和力矩，管系中支點的作用力作為管架的設計依據，提結構設計條件時用。
(七)管系中各支吊點的作用力、位移量是彈簧支吊架設計的依據。
六、結束語
要想提高熱管道未來的使用效果，就必須不斷的提高熱管道的布置水平，不斷的研究其應力的要點，只有將兩者統(tǒng)籌兼顧起來分析，才能夠提高熱管道的使用效果。
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