熱力管道的設計與優(yōu)化

熱力管道的設計與優(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，其合理設計是安全性、經(jīng)濟性的保證。本文主要介紹了在熱力管道的設計方面應注意的幾個(gè)問(wèn)題，說(shuō)明熱應力的計算及其對管道工程的影響，管系柔性以及對補償形式的選擇，以達到設計優(yōu)化。關(guān)鍵詞:熱力管道;熱應力;熱補償;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(lèi)號: S611文獻標識碼: A文章編號: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計、制造、安裝、檢驗、使用、維修等多個(gè)環(huán)節，其中設計是基礎，是能否保證安全運行的重要一環(huán)。熱力管道設計除應滿(mǎn)足壓力管道設計的基本原則外，最重要的一條是對熱應力影響的分析和控制。1.設計的基本原則熱力管道設計應遵循以下基本原則:①滿(mǎn)足工藝要求，達到生產(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排列規范有序⑥合理選擇材料，力求經(jīng)濟可靠。熱力管道區別于其他管道的最大特點(diǎn)是關(guān)于它的熱應力(即鋼材熱脹冷縮時(shí)產(chǎn)生的力)，也稱(chēng)為二次應力。對于常溫管道在設計時(shí)只作一次應力 (即由管道內壓和作用于管道的持續外載而在管道內部產(chǎn)生的正應力或剪應力)分中國煤化工力平衡HCNMH G條件而產(chǎn)生的，當應力達到或超過(guò)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(mǎn)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(zhì)量與安全。在熱力管道設計中，首先要考慮它的熱伸長(cháng)量及其熱補償方式，計算推力和確定固定支架的形式。2.熱應力及其消除措施熱應力按下式計算:σ=a.●△T●E其中:a一管材線(xiàn)膨脹系數△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，熱應力隨溫度的變化而變化，只與溫度有關(guān)，與管子長(cháng)度、壁厚和截面積無(wú)關(guān)，當安裝溫度大于介質(zhì)工作溫度時(shí)，熱應力為拉應力，當安.裝溫度小于介質(zhì)工作溫度時(shí)，熱應力為壓應力。由此可見(jiàn)，除溫度變化外，管道熱脹可能性的大小對熱應力的影響很大。溫度變化時(shí)管道系統的熱脹可能性稱(chēng)為管系的柔性，在同樣的溫度變化條件下，管系的柔性越大，熱應力就越小。因為管道的熱應力是管道熱膨脹受到約束而產(chǎn)生的，.所以熱應力隨熱脹變形的加大而減小，當管道完全自由伸縮而不受約束時(shí)則熱應力為零。在管道工程中應盡量避免采用直線(xiàn)管系，而應采用立體管系或平面管系，當必須采用直線(xiàn)管系時(shí)，必須加相應的補償器。因自然補償時(shí)固定支架受力最小，采用補償器時(shí)固定支架受力較大，因此選用補償器要慎重，能實(shí)現自然補償的管段盡可能選用自然補償，以減少固定支架的推力。3.管道熱伸長(cháng)及熱補償熱伸長(cháng)量按下式計算:△L=a●(t-t0)●L，其中:a一管材線(xiàn)膨脹系數;介質(zhì)溫度; .-環(huán)境溫度;L一-兩固定支座間的管道長(cháng)度，m; .此式說(shuō)明，管道的熱伸長(cháng)量隨著(zhù)溫度和長(cháng)度的變化而;"中國煤化工無(wú)關(guān)，將計算出的數值乘以最不利運行工況下的安全系數，然后根MHCNMHG器的形式與規格。采用維修工作量小和價(jià)格便宜的補償器是管道建設的合理要求，應力求做到。各種補償器的尺寸和流體阻力差別很大，選型時(shí)應根據敷設條件權衡利弊，盡可能兼顧。對于波紋補償器在安裝前為了降低管道初次啟動(dòng)運行時(shí)對固定支架的推力和避免波紋失穩，應對其進(jìn)行冷緊;套簡(jiǎn)補償器價(jià)格較低，但維修量大，安裝時(shí)應隨溫度的變化調整補償器的安裝長(cháng)度，以保證在熱狀態(tài)下和冷狀態(tài)下都能夠安全運行，空間立體自然補償是最優(yōu)選的補償方式，但安裝時(shí)必須考慮支架失穩與管道滑落問(wèn)題。4.管道推力管道對固定支架的推力應包括以下三部分:①管道因熱脹冷縮受約束產(chǎn)生的作用力或各補償器的反彈力之和;②各管道內壓產(chǎn)生的不平衡力之和;③中間活動(dòng)支吊架通過(guò)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)應按下列原則進(jìn)行:(1)固定點(diǎn)兩側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)，較小方向作用力應乘以0. 7的抵消系數;(2)固定點(diǎn)兩側管段內壓不平衡力的抵消系數取1;3) 當固定點(diǎn)承受幾個(gè)支管的作用力時(shí)應考慮其最不利組合,選擇最不利工況和最大.溫差進(jìn)行計算。推力按下式計算: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(cháng)度無(wú)關(guān)，管道長(cháng)度在設計過(guò)程中重點(diǎn)考慮計算其熱伸長(cháng)量，然后對其伸長(cháng)量進(jìn)行消化和分解，熱應力對固定支架和設備的推力按力的分解消化于不同類(lèi)型的伸縮器，對各固定支架的推力就轉化成對伸縮器的壓縮力，熱應力被伸縮器吸收，進(jìn)而達到了消除熱應力的目的。.目前，有些單位在設計熱力管道和管件的計算過(guò)程中，將σ以工作溫度下的額定許.用應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(lái)的數值大得出奇，這兩種傾向都是不切合實(shí)際的，因為σ與溫差有關(guān)，A是管子金屬截面積，與管道的直徑截面積無(wú)關(guān)。處于介質(zhì)流動(dòng)的管道不能計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.柔性系數及其影響因素MHCNMH G管道設計中可利用管道自身的彎曲或扭轉產(chǎn)生的變形來(lái)達到熱脹或冷縮時(shí)的自然補償，當其柔性不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可采用下式方法來(lái)改善管道的柔性:①調整支吊架的形式與位置;②改變管道走向③根據設計參數選用補償裝置。柔性系數的計算公式: .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λ>1. 65時(shí)，取K=1。說(shuō)明管道柔性隨R的增大而減小，也就是說(shuō)R越小柔性系數越大，但工程上一-般確定R≥3.5D是因為在此范圍內彎頭部分不至引起峰值應力，且可滿(mǎn)足煨彎部分不起皺和橢圓度不超標等彎頭的自身質(zhì)量，當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，但并不表明不準使用機制彎頭，其原因是因為機制彎頭兩焊縫之間的距離較小，在小的彎曲半徑處于由結構形狀突變而引起局部應力集中，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力后，在某些場(chǎng)合下還是可以應用的，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)，可采用機制彎頭帶頭，在一些柔性較大的管系中也可采用。參考文獻:1.《工業(yè)金屬管 道設計技術(shù)規范》. GB50316-20002.動(dòng)力管道設計手冊- <<動(dòng)力管道設計手冊編寫(xiě)組> /機械工業(yè)出版社作者簡(jiǎn)介:亢紅(1982-)， 女，本科，工程師，現在從事熱力系統的設計工作。中國煤化工YHCNMH G