管道应力分析及热补偿在外管工程设计中的应用

一、管道应力及热补偿
　　在工程设计中，管道应力计算及热补偿用以解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道布置、安装、配置设计提供科学依据。因其涉及面广，包括流体力、重力、温度引起的热应力、振动以及材质、制造、安装等影响因素，要对一管系作出完整的应力分析相当困难。目前，已在工程上采用的各种管道应力计算办法，均是不同程度的近似算法，其   程度取决于设计者的实际问题与其基本假设是否接近。
　　1、管道应力分析及热补偿的意义
　　当管道内供热介质及周围环境温度发生变化时，将引起金属补偿器管道的热胀、冷缩，使管壁内产生巨大的应力，如果此应力超过了管材的强度   ，就会使管道造成破坏。管道应力分析及热补偿的意义在于计算管道因热胀和冷缩，内压和外载作用所引起的力、力矩和应力，以判明所设计的管道是否   、经济、合理。
　　2、管道应力分析及热补偿与工程设计的关系
　　在外管工程的设计工作中，既要考虑合理便捷的布置，经济的选材，又要考虑自然恰当的补偿。也就是说，在合理的工艺设备布置的前提下，管线的布置应尽量简短且便于操作；应尽量利用自然管段进行热补偿；应尽量使管线之间的相互牵制作用增大，以减少各管线由于热胀冷缩而作用于管架上的摩擦推力。
　　在管线设计中对管系的热胀   妥善处理，一般应使管系的几何形状具有   的弹性，以便能自补偿其热胀。所谓管系的弹性，即在力的作用下出现弹性变形，在力停止后又恢复原状的能力。在   的变形下所需的力越小则管系的弹性就越大。
　　二、管道应力分析
　　1、管道应力计算方法
　　本文热胀和冷缩作用力是参照火力发电厂汽水管道应力计算技术规定中的弹性中心法计算的。
　　金属波纹补偿器管道的作用力和力矩计算以弹性理论为基础，可采用结构静力学的力法、位移法。即一般有：等值刚度法、有限单元法、应变能微分法和弹性中心法4种方法。这些方法中，均未计管材某些局部范围内的塑性变形(屈服塑性和高温塑性)。
　　等值刚度法和有限单元法适用于电子计算机，编有典型计算程序，计算时应按批准的程序计算。
　　应变能微分法和弹性中心法为结构静力学中的力法。它假定管系的始端固定，末端释放，在末端加复原力和力矩，使之回复到固定位置，然后根据变形协调方程组求解复原力和力矩。但未计及剪切变形和轴向拉压变形的影响。
　　弹性中心法可以计算不同温度和不同管子规格所组成的无分支管系。对于平面管系，元件可以在此平面内作任何角度的斜置；对于立体管系，各元件须与坐标轴正交。此外，本方法还有以下几点说明：
　　(1)管系始末端点是刚性连接，仅允许有附加位移而不能有角位移；
　　(2)在计算时，对热胀或冷缩的位移限制很小的支吊架，不计入它对补偿的影响；
　　(3)计算管系是一根无重量的弹性线，管道的弹性变形仅取决于热胀或冷缩作用力的大小。
　　以上所述是参数较高热力管道的常用计算方法，对低压热力管道(P≤13kg/c㎡)，一般仍采用现行的线算图查出有关数据，进行系统计算。
　　2、管道应力计算的一般原则
　　在进行外管工程设计时，由于管道很多，不能逐根对非金属补偿器管道进行弹性计算，一般对下述的情况才考虑热胀问题：
　　(1)温度超过100℃或低于-50℃，公称直径为Dg100以上的管系；
　　(2)直管段较长，伸缩量较大的管道；
　　(3)管系上弯头较少的管道；
　　(4)管内流动介质危险性大，流动状况剧烈且不允许有泄漏时；
　　(5)非金属膨胀节管道同可能承受较小应力或弯矩的设备相连接时(包括动设备或者是重要设备)；
　　(6)管道与设备连接点移动量较大的管道；
　　(7)其它大直径的管线，端点位移量大的、在大直径管上有小直径的分支管线，管壁厚度大的，振动的管系。
　　上述各种条件只是一个相对的尺度，而不是   的标准，对一个装置来说，要做全部非金属波纹补偿器管道的应力分析是非常困难的，也是没有   的。