热力管道的设计与优化

热力管道的设计与优化
摘要：热力管道是钢铁行业中的主要管道，其合理设计是安全性、经济性的保证。

本文主要介绍了在热力管道的设计方面应注意的几个问题，说明热应力的计算及其对管道工程的影响，管系柔性以及对补偿形式的选择，以达到设计优化。

关键词：热力管道；热应力；热补偿；管系；柔性
abstract:the design and installation of pressure pipe line have entered into standardization management,the thermal pipe line is the main piping in steel industry.this paper relates to describe the design of thermal pipe line ,the calculation of thermal stress and its inference to the pipe line engineering,flexible pipe system and selection of the form of the compensations ,to reach the optimized design and engineering “prepotency”finally.
key words: thermal pile；thermal stress；thermal compensation；pipe system；flexble
中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：
热力管道在城市供热和工业生产中是非常普遍的。

在工业企业，尤其是钢铁行业中分布极广，是钢铁行业中的主要管道，但是不少单位对它的安全性尚未给予足够的重视。

热力管道的安全涉及到设计、制造、安装、检验、使用、维修等多个环节，其中设计是基础，是能否保证安全运行的重要一环。

热力管道设计除应满足压力管道设计的基本原则外，最重要的一条是对热应力影响的分析和控制。

1.设计的基本原则
热力管道设计应遵循以下基本原则：①满足工艺要求，达到生产需要；②为安装施工和维修操作与管理提供方便；③创造安全运行环境；④管道走向合理，结构形式与组件组合适当⑤排列规范有序⑥合理选择材料，力求经济可靠。

热力管道区别于其他管道的最大特点是关于它的热应力（即钢材热胀冷缩时产生的力），也称为二次应力。

对于常温管道在设计时只作一次应力（即由管道内压和作用于管道的持续外载而在管道内部产生的正应力或剪应力）分析，它是结构为满足静力平衡条件而产生的，当应力达到或超过屈服极限时，材料进入屈服状态，静力平衡条件得不到满足，管道会产生变形直至破坏。

而对于热力管道除进行一次应力分析外，更重要的是要重视对二次应力影响的分析和控制，从而保证热力管道的质量与安全。

在热力管道设计中，首先要考虑它的热伸长量及其热补偿方式，计算推力和确定固定支架的形式。

2.热应力及其消除措施
热应力按下式计算：
σ=α·△t·e
其中：α———管材线膨胀系数
t——介质温度与环境温度之差；
e——钢材的弹性模量。

公式各因素中，α、e是定值，热应力随温度的变化而变化，只与温度有关，与管子长度、壁厚和截面积无关，当安装温度大于介质工作温度时，热应力为拉应力，当安装温度小于介质工作温度时，热应力为压应力。

由此可见，除温度变化外，管道热胀可能性的大小对热应力的影响很大。

温度变化时管道系统的热胀可能性称为管系的柔性，在同样的温度变化条件下，管系的柔性越大，热应力就越小。

因为管道的热应力是管道热膨胀受到约束而产生的，所以热应力随热胀变形的加大而减小，当管道完全自由伸缩而不受约束时则热应力为零。

在管道工程中应尽量避免采用直线管系，而应采用立体管系或平面管系，当必须采用直线管系时，必须加相应的补偿器。

因自然补偿时固定支架受力最小，采用补偿器时固定支架受力较大，因此选用补偿器要慎重，能实现自然补偿的管段尽可能选用自然补偿，以减少固定支架的推力。

3.管道热伸长及热补偿
热伸长量按下式计算：△l=α·(t-t0)·l，其中：
α——管材线膨胀系数；
t——介质温度；
t0——环境温度；
l——两固定支座间的管道长度，m；
此式说明，管道的热伸长量随着温度和长度的变化而变化，与管
径和壁厚无关，将计算出的数值乘以最不利运行工况下的安全系数，然后根据所得的结果选择补偿器的形式与规格。

采用维修工作量小和价格便宜的补偿器是管道建设的合理要求，应力求做到。

各种补偿器的尺寸和流体阻力差别很大，选型时应根据敷设条件权衡利弊，尽可能兼顾。

对于波纹补偿器在安装前为了降低管道初次启动运行时对固定支架的推力和避免波纹失稳，应对其进行冷紧；套筒补偿器价格较低，但维修量大，安装时应随温度的变化调整补偿器的安装长度，以保证在热状态下和冷状态下都能够安全运行，空间立体自然补偿是最优选的补偿方式，但安装时必须考虑支架失稳与管道滑落问题。

4.管道推力
管道对固定支架的推力应包括以下三部分：①管道因热胀冷缩受约束产生的作用力或各补偿器的反弹力之和；②各管道内压产生的不平衡力之和；③中间活动支吊架通过管道传给固定支吊架的反作用力。

固定点两端管段作用力合成时应按下列原则进行：
固定点两侧管段由热胀冷缩受约束产生的作用力和活动端位移产生的作用力的合力相互抵消时，较小方向作用力应乘以0.7的抵消系数；
固定点两侧管段内压不平衡力的抵消系数取1；
当固定点承受几个支管的作用力时应考虑其最不利组合，选择最
不利工况和最大温差进行计算。

推力按下式计算：
p=σ·a=α·△t·e·a
其中：a——管材金属截面积。

式中表示，推力p与温差和管子金属截面积有关，与管道长度无关，管道长度在设计过程中重点考虑计算其热伸长量，然后对其伸长量进行消化和分解，热应力对固定支架和设备的推力按力的分解消化于不同类型的伸缩器，对各固定支架的推力就转化成对伸缩器的压缩力，热应力被伸缩器吸收，进而达到了消除热应力的目的。

目前，有些单位在设计热力管道和管件的计算过程中，将σ以工作温度下的额定许用应力直接套用或在公式中将管子金属截面积以管子横截面积代入公式，以至算出来的数值大得出奇，这两种倾向都是不切合实际的，因为σ与温差有关，a是管子金属截面积，与管道的直径截面积无关。

处于介质流动的管道不能计算成压力容器的分头荷载或管道的盲板荷载。

5.柔性系数及其影响因素
管道设计中可利用管道自身的弯曲或扭转产生的变形来达到热胀或冷缩时的自然补偿，当其柔性不能满足要求时，可采用下式方法来改善管道的柔性：①调整支吊架的形式与位置；②改变管道走向③根据设计参数选用补偿装置。

柔性系数的计算公式：
k=（焊接弯头为）
其中：λ——弯管尺寸系数
r——管道弯曲半径；
s——管道壁厚；
r——管道平均半径。

此公式的有效使用范围为0.02≤λ≤1.65，当λ>1.65时，取k=1。

说明管道柔性随r的增大而减小，也就是说r越小柔性系数越大，但工程上一般确定r≥3.5d是因为在此范围内弯头部分不至引起峰值应力，且可满足煨弯部分不起皱和椭圆度不超标等弯头的自身质量，当r≥5d时可免于热处理。

在工程上对弯头的使用就热力管道而言一般采用煨制弯头，但并不表明不准使用机制弯头，其原因是因为机制弯头两焊缝之间的距离较小，在小的弯曲半径处于由结构形状突变而引起局部应力集中，是疲劳破坏和脆性断裂的可能根源，在其安全性和使用寿命方面较煨制弯头也相差很大，但对其焊缝经必要的热处理消除部分峰值应力后，在某些场合下还是可以应用的，尤其对一些受环境影响及空间条件限制不能采用煨制弯头时，可采用机制弯头带头，在一些柔性较大的管系中也可采用。

参考文献：
1.《工业金属管道设计技术规范》–gb50316-2000
2.动力管道设计手册-〈〈动力管道设计手册编写组〉〉/机械工业出版社
作者简介：亢红（1982－），女，本科，工程师，现在从事热力
系统的设计工作。