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摘要：压力管道的应力分析与计算是保证压力管道安全可靠运行的重要组成部分，热力管道的设计中的应力分析已经得到了广泛的应用。在船舶热力管道的设计中，由于布置困难和空间限制，管道的柔性设计难度更大，更应该得到重视。为了使其更好的发挥出实效作用，相关企业就要重视对管道的合理设计，并对管道应力进行全面的分析，以确保管道的工作强度，使之整体运行更为经济、安全。
关键词：管道；应力分析；热力管道；应用
1压力管道应力概论
1.1压力管道工作原理
压力管道作为一条系统性的流水生产线，因为其连接在一起，所以它的受力是相互的。因此，无论哪个环节出现问题，都会使整个压力管道瘫痪或无法工作。压力管道存在的风险决定了管道的特殊结构，也决定了管道的工作性质。压力管道工作过程中，需要承担外界自然侵蚀，雨水冲刷等危害，这种运行环境对压力管道是一种严峻的考验。坚实的压力管道是安全的保证，需要各种辅助材料的支持，在辅助材料的细节上做到完美同样是。对于可能出现渗漏的环节要进行监管，在设计阶段就要进行详细的计算和设计完善的功能，确保压力管道在实践中能够安全使用和实现预定的功能。
1.2压力管道应力分析
压力管道工作时受到外力的作用下，发生自我恢复就是应力的表现。比如受到外界压迫后，管道的形状和体积发生改变，這时通过压力管道的内部调节作用，对外力进行抵制，形成一个比较大的恢复力，促进压力管道复原如初，这个过程就是应力作用的过程。压力管道能够承受应力大小可以通过一个点进行检测，进而得到直观的数据，分析评估数据，以确定压力管道的应力作用效果能否长久支撑管道的使用。但是，对应力进行检测的过程中也要考虑其产生的副作用。可能会因不堪重负出现裂缝的现象，最终导致管道破损；或因为长期的受力使压力管道的形态发生变化，对管道正常的工作产生影响，使管道的输出出现问题，长久以往造成管道内部调节作用丧失，使管道的长度和直径发生改变，不能满足使用要求。
2管道经济性设计
2.1蒸汽管道压力设计
（1）主蒸汽管道压力的设计，应以锅炉过热器出口的额定工作压力和锅炉最大连续蒸发量下的工作压力为基准。当锅炉和汽轮机的最大限度超压为5%运行时，则主蒸汽管道压力要在此基础上增加5%的超压值。
（2）再热蒸汽管道压力设计要以汽轮机最大计算出力下的热平衡中高压缸排气压力的1.15倍为基准。尤其是再热器出口与汽轮机的连接部位，其压力设计可以以再热器出口安全阀动作的最低整定压力为参考。
2.2蒸汽管道温度设计
（1）主蒸汽管道的温度设计，可以以锅炉额定蒸发量时过热器出口额定工作温度，或锅炉正常运行下的允许温度偏差值为基准，一般可将其设计在5℃左右。
（2）低温再热蒸汽管道的温度设计，可以以汽轮机最大计算出力下的热平衡中高压缸排气参数为基准。但是若是采用中压缸先启动，高压缸空转的设计方式，则为了降低管道排气温度，低温再热蒸汽管道温度设计就要考相关制造企业所提供的可能出现的最高工作温度。
3管道应力分析在船舶热力管道中的应用
3.1应力计算
（1）计算机计算方式。利用先进的测算系统，用计算软件进行精准的计算。这种计算方法得出的压力管道的应力值比较准确，还能让用户用国际化标准进行参考。其方式方便快捷，首选软件是CAESAR Ⅱ，能在很大程度上对多种类型的应力进行计算，包括地震荷载、瞬变流冲击荷载如安全阀自动跳闸或阀门在特殊条件下的瞬间开启或关闭的冲击力等一次应力，热胀冷缩的热力荷载和定点位置移动荷载的二次应力，管道的支吊架所承受的压力、压力管道对连接的机械设备限制力等。具有效率高、准确率高的特点，被所广泛使用。
（2）人工计算方式。需要在经典力学的基础上推理出一套应力计算公式，可应用于实际应力的计算中。这种方式与计算机计算有一定的差别，根据作用力类型的不同，计算公式也有差别。
如在压力管道的应力许用值的限定中，指的是在内力作用下内压轴向力与连续的外部力作用下，二次应力的限定值可分为一次应力加二次应力和单独二次应力。当内压轴向力和连续外部作用力小于内压作用力时，二次应力计算公式中，f为修正系数，交变次数 N<7000 时，相应的f值为1；当N>7000时，f值为0.9。承受内压圆筒应力分布平均值的计算式见式（1）。
对计算出的一次应力、二次应力进行判别，一、二次应力值应小于规定值；管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；管道的最大位移量应满足管道布置的要求。最大位移量的补偿值计算见公式（2）
3.2不同载荷工况管道应力
在持续载荷工况下，分析废汽管道最大一次应力的变化规律，可知去主冷凝器废汽管道上截止小阀上游的弯头承受最大一次应力，内压和重力作用下的轴向应力为0.8MPa，弯曲应力为70MPa，扭转应力为0.5MPa，合成最大一次应力为71.2MPa。其中贡献应力最大的是弯曲应力，主要是由于内在运行压力和管路及保温层质量作用下，弯头处承受较大弯矩，进而导致弯曲应力较大。
在温度和位移载荷工况下，分析废汽管道最大二次应力的变化规律，可知去除氧器废汽水平管道上固定支架承受最大二次应力，热膨胀作用下的轴向应力为0.5MPa，弯曲应力为77MPa，扭转应力11MPa，合成最大二次应力80.3MPa，其中贡献应力最大的是弯曲应力。究其原因，主要是固定支架去除氧器管路的热膨胀作用，结合膨胀节的挤压作用，导致管路固定支架承受附加应力，进而增大了该节点的弯曲应力。
3.3加强压力管道应力的安全管理
对管道静力应力作用进行监管的同时，控制正常的工作荷载，实现遵循规定的技术实施功能执行。转动器械的同时实现荷载能力的监管，充分考虑到专业器具的规定数值，必须符合使用要求。同时注意管道材料的不同对于管道应力的影响。尽量选择摩擦因数小的管道材料，减小摩擦从而减小阻力，使压力管道所受应力在可控的范围内，从而确保压力管道的安全运行。
4.4管架设置及受力
根据上述管架受力计分析可知，设备端口及管架计算推力满足管系安全运行要求。结合实际废汽管系的支架结构图，为保证膨胀节正常发挥补偿功效并缓解管架推力作用，船舶废汽管道宜采用“主固定管架+次固定管架+导向管架+膨胀节”的耦合配管体系。主固定管架将复杂管系分割简化为简单支管系，设置在弯头、变径及三通附近，与膨胀节的距离为1～2倍的管道外径；次固定支架将短管分割并合理配置膨胀节，导向管架支撑并限制膨胀节的吸收补偿位移方向，与膨胀节的距离为3-4倍的管道外径。
结语：
合理设计热力管道，对其实际应用效果的发挥有着很大的促进作用。相关设计人员必须按照相应的规范要求来进行，并采取正确的计算方法，对管道应力进行精准的分析，这样才能保证管道质量和使用性能。
参考文献：
[1]位海强，郭文军，卓小婧，毛振兴.管道应力分析及支管设计研究[J].辽宁化工，2017，46（12）：1207-1209.
[2]米拉提汗.如何正确分析化工管道设计中的管道应力[J].化工管理，2017（24）：187.
关键词：管道；应力分析；热力管道；应用
1压力管道应力概论
1.1压力管道工作原理
压力管道作为一条系统性的流水生产线，因为其连接在一起，所以它的受力是相互的。因此，无论哪个环节出现问题，都会使整个压力管道瘫痪或无法工作。压力管道存在的风险决定了管道的特殊结构，也决定了管道的工作性质。压力管道工作过程中，需要承担外界自然侵蚀，雨水冲刷等危害，这种运行环境对压力管道是一种严峻的考验。坚实的压力管道是安全的保证，需要各种辅助材料的支持，在辅助材料的细节上做到完美同样是。对于可能出现渗漏的环节要进行监管，在设计阶段就要进行详细的计算和设计完善的功能，确保压力管道在实践中能够安全使用和实现预定的功能。
1.2压力管道应力分析
压力管道工作时受到外力的作用下，发生自我恢复就是应力的表现。比如受到外界压迫后，管道的形状和体积发生改变，這时通过压力管道的内部调节作用，对外力进行抵制，形成一个比较大的恢复力，促进压力管道复原如初，这个过程就是应力作用的过程。压力管道能够承受应力大小可以通过一个点进行检测，进而得到直观的数据，分析评估数据，以确定压力管道的应力作用效果能否长久支撑管道的使用。但是，对应力进行检测的过程中也要考虑其产生的副作用。可能会因不堪重负出现裂缝的现象，最终导致管道破损；或因为长期的受力使压力管道的形态发生变化，对管道正常的工作产生影响，使管道的输出出现问题，长久以往造成管道内部调节作用丧失，使管道的长度和直径发生改变，不能满足使用要求。
2管道经济性设计
2.1蒸汽管道压力设计
（1）主蒸汽管道压力的设计，应以锅炉过热器出口的额定工作压力和锅炉最大连续蒸发量下的工作压力为基准。当锅炉和汽轮机的最大限度超压为5%运行时，则主蒸汽管道压力要在此基础上增加5%的超压值。
（2）再热蒸汽管道压力设计要以汽轮机最大计算出力下的热平衡中高压缸排气压力的1.15倍为基准。尤其是再热器出口与汽轮机的连接部位，其压力设计可以以再热器出口安全阀动作的最低整定压力为参考。
2.2蒸汽管道温度设计
（1）主蒸汽管道的温度设计，可以以锅炉额定蒸发量时过热器出口额定工作温度，或锅炉正常运行下的允许温度偏差值为基准，一般可将其设计在5℃左右。
（2）低温再热蒸汽管道的温度设计，可以以汽轮机最大计算出力下的热平衡中高压缸排气参数为基准。但是若是采用中压缸先启动，高压缸空转的设计方式，则为了降低管道排气温度，低温再热蒸汽管道温度设计就要考相关制造企业所提供的可能出现的最高工作温度。
3管道应力分析在船舶热力管道中的应用
3.1应力计算
（1）计算机计算方式。利用先进的测算系统，用计算软件进行精准的计算。这种计算方法得出的压力管道的应力值比较准确，还能让用户用国际化标准进行参考。其方式方便快捷，首选软件是CAESAR Ⅱ，能在很大程度上对多种类型的应力进行计算，包括地震荷载、瞬变流冲击荷载如安全阀自动跳闸或阀门在特殊条件下的瞬间开启或关闭的冲击力等一次应力，热胀冷缩的热力荷载和定点位置移动荷载的二次应力，管道的支吊架所承受的压力、压力管道对连接的机械设备限制力等。具有效率高、准确率高的特点，被所广泛使用。
（2）人工计算方式。需要在经典力学的基础上推理出一套应力计算公式，可应用于实际应力的计算中。这种方式与计算机计算有一定的差别，根据作用力类型的不同，计算公式也有差别。
如在压力管道的应力许用值的限定中，指的是在内力作用下内压轴向力与连续的外部力作用下，二次应力的限定值可分为一次应力加二次应力和单独二次应力。当内压轴向力和连续外部作用力小于内压作用力时，二次应力计算公式中，f为修正系数，交变次数 N<7000 时，相应的f值为1；当N>7000时，f值为0.9。承受内压圆筒应力分布平均值的计算式见式（1）。
对计算出的一次应力、二次应力进行判别，一、二次应力值应小于规定值；管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；管道的最大位移量应满足管道布置的要求。最大位移量的补偿值计算见公式（2）
3.2不同载荷工况管道应力
在持续载荷工况下，分析废汽管道最大一次应力的变化规律，可知去主冷凝器废汽管道上截止小阀上游的弯头承受最大一次应力，内压和重力作用下的轴向应力为0.8MPa，弯曲应力为70MPa，扭转应力为0.5MPa，合成最大一次应力为71.2MPa。其中贡献应力最大的是弯曲应力，主要是由于内在运行压力和管路及保温层质量作用下，弯头处承受较大弯矩，进而导致弯曲应力较大。
在温度和位移载荷工况下，分析废汽管道最大二次应力的变化规律，可知去除氧器废汽水平管道上固定支架承受最大二次应力，热膨胀作用下的轴向应力为0.5MPa，弯曲应力为77MPa，扭转应力11MPa，合成最大二次应力80.3MPa，其中贡献应力最大的是弯曲应力。究其原因，主要是固定支架去除氧器管路的热膨胀作用，结合膨胀节的挤压作用，导致管路固定支架承受附加应力，进而增大了该节点的弯曲应力。
3.3加强压力管道应力的安全管理
对管道静力应力作用进行监管的同时，控制正常的工作荷载，实现遵循规定的技术实施功能执行。转动器械的同时实现荷载能力的监管，充分考虑到专业器具的规定数值，必须符合使用要求。同时注意管道材料的不同对于管道应力的影响。尽量选择摩擦因数小的管道材料，减小摩擦从而减小阻力，使压力管道所受应力在可控的范围内，从而确保压力管道的安全运行。
4.4管架设置及受力
根据上述管架受力计分析可知，设备端口及管架计算推力满足管系安全运行要求。结合实际废汽管系的支架结构图，为保证膨胀节正常发挥补偿功效并缓解管架推力作用，船舶废汽管道宜采用“主固定管架+次固定管架+导向管架+膨胀节”的耦合配管体系。主固定管架将复杂管系分割简化为简单支管系，设置在弯头、变径及三通附近，与膨胀节的距离为1～2倍的管道外径；次固定支架将短管分割并合理配置膨胀节，导向管架支撑并限制膨胀节的吸收补偿位移方向，与膨胀节的距离为3-4倍的管道外径。
结语：
合理设计热力管道，对其实际应用效果的发挥有着很大的促进作用。相关设计人员必须按照相应的规范要求来进行，并采取正确的计算方法，对管道应力进行精准的分析，这样才能保证管道质量和使用性能。
参考文献：
[1]位海强，郭文军，卓小婧，毛振兴.管道应力分析及支管设计研究[J].辽宁化工，2017，46（12）：1207-1209.
[2]米拉提汗.如何正确分析化工管道设计中的管道应力[J].化工管理，2017（24）：187.