第6章管道的热应力计算

1、1第第6章章 管道的热应力计算管道的热应力计算热能工程学院主讲：刘学来2供热管网的组成供热管网的组成l城市供热管网是由管道、活动支架、固城市供热管网是由管道、活动支架、固定支架、补偿器、阀门、排水和放气装定支架、补偿器、阀门、排水和放气装置等所组成置等所组成 l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热伸长量计算l管道受热膨胀的伸长量 ：一般钢管可取 =1.210-5 m/m 6.2 供热管道的强度计算供热管道的强度计算l任务：计算热力管道因热胀和冷缩、内压和外部荷任务：计算热力管道因热胀和冷缩、内压和外部荷载作用所引起

2、的力、力矩和应力，从而判断所设计载作用所引起的力、力矩和应力，从而判断所设计的管道是否安全、经济的管道是否安全、经济l包括：选定管壁厚度；确定管道支架间距；补偿器包括：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力是否超出许用应力等 LttL2146.2 供热管道的强度计算l主要包括的应力有：由于管道内的流体压力（简称内压力）作用所产生的应力；管道在外部荷载作用下所产生的应力。供热管道由于热胀和冷缩所产生的应力。l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

3、力 5许用应力分类：许用应力分类：l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。l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 l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 。 whbw ww 22 . 187. 0zswCsCsDPwzs26许用应力分类：许用应力分类：l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 。hh 2287. 0zsh7许用

4、应力分类：许用应力分类：l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。l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6-4bwbw86.3管壁厚度及活动支架间距的确定管壁厚度及活动支架间距的确定l6.3.1 管道壁厚的确定管道壁厚的确定l理论计算壁厚理论计算壁厚 ：l计算壁厚 ： PPDsw2Css 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6.07.0mm者，c=0.6mm；理论计算壁厚为8.025.0

5、mm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管道活动支架的确定l6.3.2.1按强度条件确定活动支架的允许间距l6.3.2.2按刚度条件确定活动支架的允许间距dwqWL1535dqiEIL 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。10l热水管道按挠度：xixyxqEILLd224max312max221242xyqEIxxLLd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.

6、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 管道热补偿管道热补偿l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。l6.4.1方型补偿器方型补偿器126.4.1方型补偿器l方型补偿器需要确定如下参数：方型补偿器需要确定如下参数：l方型补偿器所补偿的管道热伸长量，按式6-1计算确定；l选择方型补偿器的型式和几何尺寸；l根据方型补偿器的几何尺寸和热

7、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；l对方型补偿器进行应力验算。136.4.1方型补偿器l6.4.1.1减刚系数：弯管刚度降低的系数l6.4.1.2方型补偿器值的确定方法65. 1hK （当h1） 221210121hhK（当h 1） 2prRh弯管尺寸系数2wpDr00 xzhLKRllRly14. 323220146.4.1方型补偿器l光滑弯管方型补偿器的折算长度 ：KRlllLzh28. 622321156.4.1方型补偿器l方型补偿器弹性力和管段形变的关系 ：l冷紧：0 xxIxEIP0yP20222222323205 . 1635. 1228. 624

8、26yLRRllKRRllllIzhxLttx21166.4.1方型补偿器l6.4.1.3方型补偿器的应力验算l管道某一截面上的最大弹性弯曲应力 l最大弹性弯曲力矩 ：WmMbwmaxmaxMxPyHM0maxxPyM0max当Hy5 . 0时，位于C点 当Hy5 . 0时，位于D点 329 . 0hm h （ 0.85） bwbw176.4.1方型补偿器l6.4.1.4方型补偿器的尺寸计算 216175. 0KLEDHbww方型补偿器的类型型：B=2H 型：B=H 型：B=0.5H 型：B=0 186.4.1方型补偿器l例题6-1 已知1084mm碳钢无缝钢管，管内热媒为1.3MPa的饱和蒸

9、汽（t194），周围环境温度为-10，固定支架间距离为65m。计划选用型方型补偿器，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。xPbw196.4.2套管补偿器套管补偿器l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100150250Pg1.6MPat300200250300300350350400700400当DN=150400mm时 BDPPc200当DN=400800mm时 BDPPc175螺栓产生的摩擦力BDfnPc4000分别计算分别计算取大值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

10、。工作压力：铸铁制为Pg1.3MPa；钢制为Pg1.6MPa。 导向支架206.4.3球形补偿器球形补偿器l特点：具有补偿能力大（比方型补偿器大510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。l规格：DN40DN1000mm；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15l补偿量：l转动摩擦力矩M值，见表6-152sin2lL216.4.4波纹补偿器波纹补偿器 l组成：是由金属波纹管、短管和其他构件组成l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 l特点：具有结构紧

11、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波纹补偿器波纹补偿器l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 l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波纹补偿器波纹补偿器l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l角向型可吸收角向位移，主要有单向角向型和万向角向型 l另外：单侧和

12、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波纹补偿器波纹补偿器l例题6-13图6-8 大拉杆波纹补偿器用于平面和空间横向位移情况 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自然补偿管段自然补偿管段2DxLtIEAP2DyLtIEBP DwAAbwLtDEC134323nnnnA1143332nnnnB1125 . 123nnnnCADchLLn 直角自然补偿266.4.5自然补偿管段自然补偿管段lL型和直角型短臂：l长臂的长度一般应取2025m左右 l对于Z型补偿器，其垂直

13、臂的长度： 3001 . 1wDDLL217121106KDEtlbww21LLK 276.5供热管道固定支架间距及其受力计算供热管道固定支架间距及其受力计算l6.5.1 固定支架间距的确定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l6.5.2 固定支架的受力计算固定支架的受力计算垂直压力垂直压力水平推力：见表水平推力：见表6-16由于活动支架上的摩擦力而产生的水平推力；由于活动支架上的摩擦力而产生的水平推力；由于方型补偿器、

14、自然补偿管段等的弹性力所产生的水平推由于方型补偿器、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；力，或者由于套管补偿器摩擦力所产生的水平推力；在设置套管补偿器时，由于管道内压而引起的水平推力；在设置套管补偿器时，由于管道内压而引起的水平推力；直埋管道由于土壤的摩擦力而产生的水平推力。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直埋热水供热管网的应力计算l外壳与土壤间摩擦力的计算l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

15、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 2tsynET11296.6 直埋热水供热管网的应力计算直埋热水供热管网的应力计算mintmaxFAttEL60110maxtminFAttEL60110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 . 13FALt30锚固点及伸长量计算锚固点及伸长量计算2/min211FFFLlffLEALFttlmin016102弹性热伸长量31部分塑性热伸长量计算部分

16、塑性热伸长量计算l部分塑性伸长量l塑性压缩变形量l转角管段的应力验算 l直埋弯头的应力验算应满足：pmin01l-LEALFttl6102min0y1pLLtTtl 350ptbt.32转角管段的应力验算转角管段的应力验算bbidptrP内压作用下环形应力610bbobbtIMr弯矩作用下最大环形应力610/m12min cm2mCEA ttFltg2MA tg21C2lltgPllF.ttEAtg.lrlldmin0122md21250102/506624336.7 直埋供热管道的固定墩设计计算及竖直埋供热管道的固定墩设计计算及竖向稳定性验算向稳定性验算l6.7.1 管道推力与固定墩的稳定性验算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