熱力管道的設(shè)計(jì)與優(yōu)化亢紅(中冶華天南京工程技術(shù)有限公司江蘇南京)摘要:熱力管道是鋼鐵行業(yè)中的主要管道，其合理設(shè)計(jì)是安全性、經(jīng)濟(jì)性的保證。本文主要介紹了在熱力管道的設(shè)計(jì)方面應(yīng)注意的幾個(gè)問題，說明熱應(yīng)力的計(jì)算及其對管道工程的影響，管系柔性以及對補(bǔ)償形式的選擇，以達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化。關(guān)鍵詞:熱力管道;熱應(yīng)力;熱補(bǔ)償;管系;柔性Abstract:The design and installation of pressure pipe line have entered intos tandardi zation management, the thermal pipe line is the main piping in steelindustry. This paper relates to describe the design of thermal pipe line , thecalculation of thermal stress and its inference to the pipe lineengineering, flexibleipe systemand selection of theformof thecompensations , to reach the opt imized design and engineering “ prepotency”finally.Key Words: Thermal pile; Thermal stress; Thermal compensation; pipe system;flexble中圖分類號(hào): S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào):熱力管道在城市供熱和工業(yè)生產(chǎn)中是非常普遍的。在工業(yè)企業(yè)，尤其是鋼鐵行業(yè)中分布極廣,是鋼鐵行業(yè)中的主要管道，但是不少單位對它的安全性尚未給予足夠的重視。熱力管道的安全涉及到設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)、使用、維修等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，是能否保證安全運(yùn)行的重要一環(huán)。熱力管道設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足壓力管道設(shè)計(jì)的基本原則外，最重要的一條是對熱應(yīng)力影響的分析和控制。1.設(shè)計(jì)的基本原則熱力管道設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則:①滿足工藝要求，達(dá)到生產(chǎn)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(yùn)行環(huán)境;④管道走向合理，結(jié)構(gòu)形式與組件組合適當(dāng)⑤排列規(guī)范有序⑥合理選擇材料，力求經(jīng)濟(jì)可靠。熱力管道區(qū)別于其他管道的最大特點(diǎn)是關(guān)于它的熱應(yīng)力(即鋼材熱脹冷縮時(shí)產(chǎn)生的力)，也稱為二次應(yīng)力。對于常溫管道在設(shè)計(jì)時(shí)只作一次應(yīng)力 (即由管道內(nèi)壓和作用于管道的持續(xù)外載而在管道內(nèi)部產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力)分中國煤化工力平衡HCNMH G條件而產(chǎn)生的，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過屈服極限時(shí)，材料進(jìn)入屈服狀態(tài)，靜力平衡條件得不到滿足，管道會(huì)產(chǎn)生變形直至破壞。而對于熱力管道除進(jìn)行一次應(yīng)力分析外，更重要的是要重視對二次應(yīng)力影響的分析和控制，從而保證熱力管道的質(zhì)量與安全。在熱力管道設(shè)計(jì)中，首先要考慮它的熱伸長量及其熱補(bǔ)償方式，計(jì)算推力和確定固定支架的形式。2.熱應(yīng)力及其消除措施熱應(yīng)力按下式計(jì)算:σ=a.●△T●E其中:a一管材線膨脹系數(shù)△T一介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度之差;E一鋼材 的彈性模量。公式各因素中，a、 E是定值，熱應(yīng)力隨溫度的變化而變化，只與溫度有關(guān)，與管子長度、壁厚和截面積無關(guān)，當(dāng)安裝溫度大于介質(zhì)工作溫度時(shí)，熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，當(dāng)安.裝溫度小于介質(zhì)工作溫度時(shí)，熱應(yīng)力為壓應(yīng)力。由此可見，除溫度變化外，管道熱脹可能性的大小對熱應(yīng)力的影響很大。溫度變化時(shí)管道系統(tǒng)的熱脹可能性稱為管系的柔性，在同樣的溫度變化條件下，管系的柔性越大，熱應(yīng)力就越小。因?yàn)楣艿赖臒釕?yīng)力是管道熱膨脹受到約束而產(chǎn)生的，.所以熱應(yīng)力隨熱脹變形的加大而減小，當(dāng)管道完全自由伸縮而不受約束時(shí)則熱應(yīng)力為零。在管道工程中應(yīng)盡量避免采用直線管系，而應(yīng)采用立體管系或平面管系，當(dāng)必須采用直線管系時(shí)，必須加相應(yīng)的補(bǔ)償器。因自然補(bǔ)償時(shí)固定支架受力最小，采用補(bǔ)償器時(shí)固定支架受力較大，因此選用補(bǔ)償器要慎重，能實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)償?shù)墓芏伪M可能選用自然補(bǔ)償，以減少固定支架的推力。3.管道熱伸長及熱補(bǔ)償熱伸長量按下式計(jì)算:△L=a●(t-t0)●L，其中:a一管材線膨脹系數(shù);介質(zhì)溫度; .-環(huán)境溫度;L一-兩固定支座間的管道長度，m; .此式說明，管道的熱伸長量隨著溫度和長度的變化而;"中國煤化工無關(guān)，將計(jì)算出的數(shù)值乘以最不利運(yùn)行工況下的安全系數(shù)，然后根MHCNMHG器的形式與規(guī)格。采用維修工作量小和價(jià)格便宜的補(bǔ)償器是管道建設(shè)的合理要求，應(yīng)力求做到。各種補(bǔ)償器的尺寸和流體阻力差別很大，選型時(shí)應(yīng)根據(jù)敷設(shè)條件權(quán)衡利弊，盡可能兼顧。對于波紋補(bǔ)償器在安裝前為了降低管道初次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)對固定支架的推力和避免波紋失穩(wěn)，應(yīng)對其進(jìn)行冷緊;套簡補(bǔ)償器價(jià)格較低，但維修量大，安裝時(shí)應(yīng)隨溫度的變化調(diào)整補(bǔ)償器的安裝長度，以保證在熱狀態(tài)下和冷狀態(tài)下都能夠安全運(yùn)行，空間立體自然補(bǔ)償是最優(yōu)選的補(bǔ)償方式，但安裝時(shí)必須考慮支架失穩(wěn)與管道滑落問題。4.管道推力管道對固定支架的推力應(yīng)包括以下三部分:①管道因熱脹冷縮受約束產(chǎn)生的作用力或各補(bǔ)償器的反彈力之和;②各管道內(nèi)壓產(chǎn)生的不平衡力之和;③中間活動(dòng)支吊架通過管道傳給固定支吊架的反作用力。固定點(diǎn)兩端管段作用力合成時(shí)應(yīng)按下列原則進(jìn)行:(1)固定點(diǎn)兩側(cè)管段由熱脹冷縮受約束產(chǎn)生的作用力和活動(dòng)端位移產(chǎn)生的作用力的合力相互抵消時(shí)，較小方向作用力應(yīng)乘以0. 7的抵消系數(shù);(2)固定點(diǎn)兩側(cè)管段內(nèi)壓不平衡力的抵消系數(shù)取1;3) 當(dāng)固定點(diǎn)承受幾個(gè)支管的作用力時(shí)應(yīng)考慮其最不利組合,選擇最不利工況和最大.溫差進(jìn)行計(jì)算。推力按下式計(jì)算:P=σ●A=a●△T.E.A其中:A-一管材金屬截面積。式中表示，推力P與溫差和管子金屬截面積有關(guān)，與管道長度無關(guān)，管道長度在設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)考慮計(jì)算其熱伸長量，然后對其伸長量進(jìn)行消化和分解，熱應(yīng)力對固定支架和設(shè)備的推力按力的分解消化于不同類型的伸縮器，對各固定支架的推力就轉(zhuǎn)化成對伸縮器的壓縮力，熱應(yīng)力被伸縮器吸收，進(jìn)而達(dá)到了消除熱應(yīng)力的目的。.目前，有些單位在設(shè)計(jì)熱力管道和管件的計(jì)算過程中，將σ以工作溫度下的額定許.用應(yīng)力直接套用或在公式中將管子金屬截面積以管子橫截面積代入公式，以至算出來的數(shù)值大得出奇，這兩種傾向都是不切合實(shí)際的，因?yàn)棣遗c溫差有關(guān)，A是管子金屬截面積，與管道的直徑截面積無關(guān)。處于介質(zhì)流動(dòng)的管道不能計(jì)算成壓力容器的分頭荷載或管道的盲板荷載。中國煤化工5.柔性系數(shù)及其影響因素MHCNMH G管道設(shè)計(jì)中可利用管道自身的彎曲或扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變形來達(dá)到熱脹或冷縮時(shí)的自然補(bǔ)償，當(dāng)其柔性不能滿足要求時(shí)，可采用下式方法來改善管道的柔性:①調(diào)整支吊架的形式與位置;②改變管道走向③根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選用補(bǔ)償裝置。柔性系數(shù)的計(jì)算公式: .K=1.65 1.65(焊接彎頭為λRS/r,λ5/6其中: λ一-彎管尺寸系數(shù)R一管道彎 曲半徑;管道壁厚;R-一管道 平均半徑。此公式的有效使用范圍為0.02≤λ≤1.65，當(dāng)λ>1. 65時(shí)，取K=1。說明管道柔性隨R的增大而減小，也就是說R越小柔性系數(shù)越大，但工程上一-般確定R≥3.5D是因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)彎頭部分不至引起峰值應(yīng)力，且可滿足煨彎部分不起皺和橢圓度不超標(biāo)等彎頭的自身質(zhì)量，當(dāng)R≥5D時(shí)可免于熱處理。在工程上對彎頭的使用就熱力管道而言- -般采用煨制彎頭，但并不表明不準(zhǔn)使用機(jī)制彎頭，其原因是因?yàn)闄C(jī)制彎頭兩焊縫之間的距離較小，在小的彎曲半徑處于由結(jié)構(gòu)形狀突變而引起局部應(yīng)力集中，是疲勞破壞和脆性斷裂的可能根源，在其安全性和使用壽命方面較煨制彎頭也相差很大，但對其焊縫經(jīng)必要的熱處理消除部分峰值應(yīng)力后，在某些場合下還是可以應(yīng)用的，尤其對一-些 受環(huán)境影響及空間條件限制不能采用煨制彎頭時(shí)，可采用機(jī)制彎頭帶頭，在一些柔性較大的管系中也可采用。參考文獻(xiàn):1.《工業(yè)金屬管 道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》. GB50316-20002.動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊- <<動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊編寫組> /機(jī)械工業(yè)出版社作者簡介:亢紅(1982-)， 女，本科，工程師，現(xiàn)在從事熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。中國煤化工YHCNMH G