第6章管道的热应力计算

1第6章管道的热应力计算热能工程学院主讲：刘学来2供热管网的组成城市供热管网是由管道、活动支架、固定支架、补偿器、阀门、排水和放气装置等所组成管道应力：内压力、管道自重、外部荷载、温度变化等因素的作用下会产生拉伸、弯曲等应力36.1管道热伸长量计算管道受热膨胀的伸长量：一般钢管可取=1.2×10-5m/m·℃6.2供热管道的强度计算任务：计算热力管道因热胀和冷缩、内压和外部荷载作用所引起的力、力矩和应力，从而判断所设计的管道是否安全、经济包括：选定管壁厚度；确定管道支架间距；补偿器选型及应力验算；校核固定支架、管道附件所受应力是否超出许用应力等LttL2146.2供热管道的强度计算主要包括的应力有：–⑴由于管道内的流体压力（简称内压力）作用所产生的应力；–⑵管道在外部荷载作用下所产生的应力。–⑶供热管道由于热胀和冷缩所产生的应力。应力验算：计算供热管道在各种负荷的作用下所产生的应力，校核其是否超过管材的许用应力5许用应力分类：许用应力分为：额定许用应力；外载许用综合应力；许用合成应力和许用补偿弯曲应力等。⑴额定许用应力。它取决于管材的强度特性，它是应力验算中最基本的一个许用应力值。常用钢管额定许用应力见表6-2⑵许用外载综合应力。在热力管道强度计算中，如只考虑外部荷载引起的综合应力，则不应大于规定的许用外载综合应力值。[]whbwww22.187.0zswCsCsDPwzs26许用应力分类：⑶许用合成应力。在热力管道强度计算中，如果只考虑外部荷载和热补偿同时作用所产生的应力，则不应大于规定的许用合成应力值。hh2287.0zsh7许用应力分类：⑷许用补偿弯曲应力。在补偿器的强度计算中，如果只考虑补偿器弹性力所产生的应力，则不应大于规定的许用补偿弯曲应力值。当采用方型或自然补偿器时，热态和冷态的验算值是不同的具体见表6-4bwbw86.3管壁厚度及活动支架间距的确定6.3.1管道壁厚的确定理论计算壁厚：计算壁厚：PPDsw''2Css''''xsC当焊接钢管产品标准中未提供壁厚允许负偏差百分数时，管子壁厚附加值可采用下列数据：理论计算壁厚为5.5mm者，c=0.5mm；理论计算壁厚为6.0~7.0mm者，c=0.6mm；理论计算壁厚为8.0~25.0mm者，c=0.8mm。管子壁厚的附加值不得小于0.5mm。96.3.2管道活动支架的确定6.3.2.1按强度条件确定活动支架的允许间距6.3.2.2按刚度条件确定活动支架的允许间距dwqWL1535dqiEILmaxy活动支架间管道变形示意图1—管道按最大角变不大于管道坡度条件下的变形线；2—管道按允许最大挠度条件下的变形线；3—支点。10热水管道按挠度：xixyxqEILLd224max312max221242xyqEIxxLLd不通行地沟内管道活动支架的最大允许间距（m）公称直径253240506580100125150200250300350400蒸汽、热水管1.72.02.02.53.03.54.04.55.06.57.58.08.59.5不保温凝结水管3.04.04.55.06.06.07.07.58.09.510.511.511.513.0116.4管道热补偿补偿器的选用原则是：首先考虑利用管道弯曲的自然补偿，当自然补偿不能满足要求时，再考虑设置方型补偿器、套管补偿器、波形补偿器、波纹管补偿器等进行补偿。6.4.1方型补偿器126.4.1方型补偿器方型补偿器需要确定如下参数：⑴方型补偿器所补偿的管道热伸长量，按式6-1计算确定；⑵选择方型补偿器的型式和几何尺寸；⑶根据方型补偿器的几何尺寸和热伸长量，计算方型补偿器的弹性力，确定对固定支架产生的水平推力的大小；⑷对方型补偿器进行应力验算。136.4.1方型补偿器6.4.1.1减刚系数：弯管刚度降低的系数6.4.1.2方型补偿器值的确定方法65.1hK（当h≤1）221210121hhK（当h＞1）2prRh弯管尺寸系数2wpDr00xzhLKRllRly14.323220146.4.1方型补偿器光滑弯管方型补偿器的折算长度：KRlllLzh28.622321156.4.1方型补偿器方型补偿器弹性力和管段形变的关系：冷紧：0xxIxEIP0yP20222222323205.1635.1228.62426yLRRllKRRllllIzhxLttx21166.4.1方型补偿器6.4.1.3方型补偿器的应力验算管道某一截面上的最大弹性弯曲应力最大弹性弯曲力矩：WmMbwmaxmaxMxPyHM0maxxPyM0max当Hy5.0时，位于C点当Hy5.0时，位于D点329.0hmh（0.85）bwbw176.4.1方型补偿器6.4.1.4方型补偿器的尺寸计算216175.0KLEDHbww方型补偿器的类型Ⅰ型：B=2HⅡ型：B=HⅢ型：B=0.5HⅣ型：B=0186.4.1方型补偿器例题6-1已知φ108×4mm碳钢无缝钢管，管内热媒为1.3MPa的饱和蒸汽（t≈194℃），周围环境温度为-10℃，固定支架间距离为65m。计划选用Ⅱ型方型补偿器，求方型补偿器的尺寸、所产生的弹性力及补偿弯曲应力值的大小。xPbw196.4.2套管补偿器适用范围：内压产生的摩擦力公称直径DN(mm)最大热伸长量(mm)热媒参数100～150250Pg≤1.6MPat≤300℃200～250300300～350350400～700400当DN=150~400mm时BDPPc200当DN=400~800mm时BDPPc175螺栓产生的摩擦力BDfnPc4000分别计算取大值套管补偿器的选用原则为：一般用于公称直径大于100mm，安装方型补偿器受限制的热力管道上。工作压力：铸铁制为Pg≤1.3MPa；钢制为Pg≤1.6MPa。导向支架206.4.3球形补偿器特点：具有补偿能力大（比方型补偿器大5~10倍）、所占空间小、能作空间变形、耗钢量小等优点。缺点是制作工艺要求严格。规格：DN40~DN1000mm；最大工作压力不大于1.6MPa，特殊制造的可达2.5MPa；最高工作温度不高于280℃，特殊制造的可达400℃；最大折曲角为±15°补偿量：转动摩擦力矩M值，见表6-152sin2lL216.4.4波纹补偿器组成：是由金属波纹管、短管和其他构件组成工作原理：利用波纹变形来补偿管道的热变形、机械变形和吸收机械振动特点：具有结构紧凑、占地少、补偿能力大、安装方便、无结构性渗漏、不需维护保养、同时不受工作介质、参数、工作环境和地形条件等限制226.4.4波纹补偿器分类：–按型状不同分：有“U”形、“”、形“S”形、“V”形–按材质不同分：有不锈钢、碳钢和复合材料–按补偿形式分：有轴向型、横向型、角向型以及三者组合的位移形式轴向补偿器可吸收轴向位移，主要有普通轴向型、复式轴向型、内、外压型、轴向无约束型、压力平衡型、直埋外压型等236.4.4波纹补偿器横向型补偿器可吸收横向（径向）位移，主要有大拉杆横向型、铰链横向型和万向铰链型角向型可吸收角向位移，主要有单向角向型和万向角向型另外：单侧和双侧补偿；压力平衡型和压力不平衡型；矩形和圆形图6-7轴向波纹补偿器使用情况1-固定支架；2-波纹补偿器轴向246.4.4波纹补偿器例题6-1～3图6-8大拉杆波纹补偿器用于平面和空间横向位移情况¦Α图6-9铰链波纹补偿器用于平面横向位移的情况横向1个或2个方向256.4.5自然补偿管段2DxLtIEAP2DyLtIEBPDwAAbwLtDEC134323nnnnA1143332nnnnB1125.123nnnnCADchLLn直角自然补偿266.4.5自然补偿管段L型和直角型短臂：长臂的长度一般应取20~25m左右对于Z型补偿器，其垂直臂的长度：3001.1wDDLL217121106KDEtlbww21LLK276.5供热管道固定支架间距及其受力计算6.5.1固定支架间距的确定–应考虑两个方面的因素：一是不应使管道产生纵向弯曲；二是不得使管道上的支管位移超过50mm,工程上按附录6-5确定6.5.2固定支架的受力计算–垂直压力–水平推力：见表6-16～２１⑴由于活动支架上的摩擦力而产生的水平推力；⑵由于方型补偿器、自然补偿管段等的弹性力所产生的水平推力，或者由于套管补偿器摩擦力所产生的水平推力；⑶在设置套管补偿器时，由于管道内压而引起的水平推力；⑷直埋管道由于土壤的摩擦力而产生的水平推力。286.6直埋热水供热管网的应力计算外壳与土壤间摩擦力的计算直管段的轴向力和热伸长量的计算–锚固段，是在管道温度发生变化时，不产生热位移的直埋管段–过渡段是指一端固定（固定点、驻点、锚固点），另一端为活动端，当管道温度发生变化时，能产生热位移的直埋管段–屈服温差：管道在伸缩完全受阻的工作状态下，钢管管壁开始屈服时的工作温度与安装温度之差ccDDHgF2tsynET11296.6直埋热水供热管网的应力计算mintmaxFAttEL60110maxtminFAttEL60110过渡段最大长度过渡段最小长度当量应力应满足，当不能满足要求时，管道系统中不应有锚固段存在，且过渡段长度应满足：3j6max106.13FALt30锚固点及伸长量计算2/min211FFFLlffLEALFttlmin016102弹性热伸长量31部分塑性热伸长量计算部分塑性伸长量塑性压缩变形量转角管段的应力验算直埋弯头的应力验算应满足：pmin01l-LEALFttl6102min0y1pLLtTtl350ptbt.32转角管段的应力验算bbidptrP内压作用下环形应力610bbobbtIMr弯矩作用下最大环形应力610/m12mincm2mCEAttFltg2MAtg21C2lltgPllF.ttEAtg.lrlldmin0122md21250102/506624336.7直埋供热管道的固定墩设计计算及竖向稳定性验算6.7.1管道推力与固定墩的稳定性验算–固定墩的作用力：管道热胀冷缩受约束产生的作用力、内压产生的不平衡力、活动端位移产生的作用力，具体计算见表６-２３–抗滑移系数应符合下式要求：31321.TEfffKEKaps固定墩受力简图346.7.1管道推力与固定墩的稳定性验算固定墩抗倾覆系数：6.7.2管道竖向稳定性验算5122112.hHTXE/dGGXKEKapov02fEINQpmax.psmax.ppNEIf2000