對鍋爐汽水管道應力的計算研究

廉 平，馮婷婷

（黑龍江省林業(yè)設計研究院，哈爾濱 150080）

對鍋爐汽水管道應力的計算研究

廉 平，馮婷婷

（黑龍江省林業(yè)設計研究院，哈爾濱 150080）

文章對鍋爐汽水管道的應力進行分析，對鍋爐汽水管道的應力計算進行了研究。

鍋爐汽水管道；應立計算；研究

蒸汽管道的載荷作用力有多種多樣，可通過管道內(nèi)的介質(zhì)反應產(chǎn)生力、通過各種管件重量而集中合成力、管道支吊架、來自外界的溫度環(huán)境所反應出來的應力，等等，這些力都可使管道的外表發(fā)生變形。

1　對鍋爐汽水管道的應力分析

火力發(fā)電廠鍋爐汽水管道的工作環(huán)境要具備兩種條件：第一，有一定的壓力。第二，有適宜的溫度。以往的計算方法過于復雜，而且準確度低，不能從整體看出管系的分布情況，于是，人們開始利用ANSYS PIPING MODELS方法來進行應力分析。

1.1應力限制的最大范圍及其分析

管道的一次應力是受外部支吊架的力和自身產(chǎn)生的重量所影響，且內(nèi)力和外力必須保持平衡，若是它的重量無限的增加，超過所能承受的力度，則會破壞管道的形體。為了防止管道的承受力超過限度而破裂，要留出適宜的寬裕度。在承受力的同時，或受外界的熱脹冷縮而發(fā)生的變形屬于二次應力。它跟一次應力有所差別，它是通過變形來適應與外力的平衡。若是變形次數(shù)過多，也會對管道附件造成損害，因此，要注意應力的循環(huán)次數(shù)及范圍。在我國規(guī)定的交變應力的合理次數(shù)頻數(shù)應該為7 000次，若超出這個范圍，會加重管道的勞損，甚至破裂。若管道的應力、應變達到或超出上線后，管道材料就有了可塑性。在超出變形范圍后，可以把超出的應力作為經(jīng)過塑性變化后的量度。最大應力的范圍只要在2倍以內(nèi)，就可以得出管道的彈性變化。依據(jù)管道應力所承受的應力理論，管道材料在不斷循環(huán)中發(fā)生的變形，長時間后會處于彈性狀態(tài)。管道的材料、結(jié)構(gòu)若遭到破壞，就可確定其超過自身所承受的兩倍的力。應力應變的最大范圍不能超過兩倍的極限力度，各鍋爐廠家在應力計算中應以此為依據(jù)。

1.2對管系設計參數(shù)及材料參數(shù)的分析

對機組的參數(shù)計算分析，可以火電廠鍋爐為英國撥伯葛動力有限公司制造的亞臨界壓力自然循環(huán)汽包型鍋爐為例。該汽輪機型式為亞臨界、三缸雙排汽、單軸、一次中間再熱凝汽式，額定功率為362.5。管系有3個閥門，重量分別為21 500 N、20 000 N、18 000 N。管系共有8個支吊架，其中5處安裝彈簧吊架，3處為導向支架。保溫材料為硅酸鈣，密度220 kg/m3，厚度150 mm。各彈簧吊架所承受載荷、位移等不同數(shù)額會對應不同的參數(shù)。在15節(jié)點時，數(shù)量為1，計算位移的x、y、z數(shù)值都不同，熱態(tài)載荷、熱位移、剛度、最大載荷、安裝載荷參數(shù)也不一樣。

2　鍋爐汽水管道的應力計算

2.1一次應力與二次應力

一次應力是指正應力，屬于非自限性，在內(nèi)壓和機械器具的重量之間進行平衡控制。一次應力的管道材料要達到火力發(fā)電廠汽水管道應力技術規(guī)程和美國ASME標準的彈性要求，均非自限性規(guī)定管道工作狀態(tài)。表現(xiàn)在管道上即由內(nèi)壓、自重等承受的重量都屬于這一類。當管道材料的承受范圍達到極限后，會發(fā)生一系列情況，即產(chǎn)生塑性變形，嚴重時直接破壞管道。管道計算完成后可以進行驗算，確保其安全性和可靠性，一般情況下不會對其驗算，只有在特殊的情況下，才會驗算。如遭遇8級地震的部位或是周邊需要建設廠房時才需要驗算。在驗算期間，地震所產(chǎn)生的力度不能完全驗算在內(nèi)，取其中的1/2即可。二次應力是指剪應力，結(jié)構(gòu)自身的形體變化和外界的壓力連續(xù)產(chǎn)生的力的作用，它屬于自限性。通常表現(xiàn)為在管道上即由熱脹冷縮及位移受約束時所產(chǎn)生的應力，這類應力不會直接破壞管道，但是，可使管道的材料塑性變形、屈服，導致管道的不穩(wěn)定，從而發(fā)生突發(fā)的情況。管道的熱脹情況發(fā)生后，管道的材質(zhì)受熱會出現(xiàn)初始的熱應力，當這種應力過高，超出它所承受的范圍，就會使管道發(fā)生蠕變屈服；另一方面，管道若是處于冷縮的狀態(tài)下往往會像反方向發(fā)展。這是管道的自彈現(xiàn)象，也被稱為管道冷緊度的自拉模式。由于在自拉的過程中，它的量度很難把握，它會時而松時而緊，管系在冷縮熱脹交替的循環(huán)中，它的總量是不會出現(xiàn)太大變化的。在管道應力的計算過程中，往往會發(fā)生意想不到的突發(fā)情況，因此維持平衡最為重要。

2.2管系應力的計算

管系的應力分析采用ANSYS PIPING MODELSo的方法，管系計算模型的兩端分別為汽缸出口、除氧器進汽口，其中包括直管段、閥門、支管段、支吊架包括彈簧吊架和導向支架處理。坐標系的設置為X軸正方向，Y軸正方向為豎直向上，Z軸正方向為鍋爐側(cè)指向汽機房側(cè)。按鋼材在計算溫度下的彈性模量計算，根據(jù)管道運行時不同工況分別有按熱脹、端點附加位移、熱脹冷縮的緊度狀況、自身產(chǎn)生的重量和外界連續(xù)的荷載力及支吊架對機器的反作用力。

3　結(jié)語

分析并研究鍋爐廠管道的一次與二次應力的參數(shù)分析計算，及對所要計算的應力范圍進行控制，避免導致管道的破裂。其結(jié)果可為我國鍋爐汽水管道的發(fā)展打下堅實的理論與實踐基礎。

［1］王致祥.管道應力分析與計算［M］.北京：水利電力出版社，1983.

［2]唐永進.壓力管道應力分析（第二版）［M］.北京：中國石化出版社，2010.

［3]劉純，陳紅冬.鍋爐汽水管道應力計算研究［C］//第九屆電站金屬材料學術年會論文集（第二卷）.2011，48-49.

［4]黎雄.火電廠鍋爐汽水管道應力計算研究［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010，（8）：73-76.

Research on Stress Calculation of the Boiler Steam Pipe

LIANPing，F(xiàn)ENGTing-ting
（Heilongjiang Forestry Designing Institute，Harbin 150080，China）

This paper analyzes the stress ofthe boiler and steampipe，the stress calculation ofthe boiler and steampipe is studied. Key words:Boiler steampipe；Stress calculation；Research

TM621.2

B

1674-8646（2015）07-0089-01