浅谈蒸汽管道应力分析中支吊架布置方法

浅谈蒸汽管道应力分析中支吊架布置方法

王爱鲜

（中国中轻国际工程有限公司北京市100026）

摘要：在小型热电联产工程的蒸汽管道的设计中，进行支吊架设置的设计时，应该遵循设置方法和选用原则，应使支吊架间距不超过管道刚度允许值并满足柔性要求，本文介绍了支吊架对管道产生的一次应力和二次应力，针对小型热电联产工程的蒸汽管道系统应力分析中支吊架布置设计，以CAESARII管道应力分析软件为平台，对其进行了反复的数值模拟计算，总结了小型热电联产工程的主蒸汽管道应力分析中支吊架布置过程和方法。

关键词：蒸汽管道；支吊架；应力分析

在小型热电联产工程蒸汽管道系统中，尽量利用管道的自支承作用，少设置或不设置支架；要利用管系的自然补偿能力合理分配支吊架点和选择支吊架类型。

1、管道支吊架的布置设计

1.1支吊架设计原则

（1）管道支吊架的设置和选型应根据管道系统的总体布置综合分析确定。支吊架系统应合理承受管道的动载荷、静载荷和偶然载荷；合理约束管道位移；保证在各种工况下，管道应力均在允许范围内。

（2）确定支吊架间距时，应考虑管道荷载的合理分布，并满足强度、刚度、防止振动和疏放水的要求。

（3）支吊架必须支撑在可靠的构筑物上，应便于施工，且不影响邻近设备检修以及其他管道的安装和扩建。

1.2支吊架布置

确定管道支吊架位置有以下要点。

（1）在靠近集中荷载（如阀门、三通等）处宜布置支吊架。

（2）在π型补偿器两侧适当位置宜设置导向装置。

（3）除振动的管道外，应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的生根点，且应考虑生根点所能承受的荷载，生根点的构造应能满足生根件的要求。

2、应力分析

2.1管道应力计算的任务

进行管道应力分析与计算，是研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，从而做出对于管道安全性的评价。

管道应力计算的主要任务是验算管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力；判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内。

2.2载荷工况

根据设计标准和规范确定的载荷工况，目前小型热电联产工程管道应力分析所使用的标准和规范主要以《火力发电厂汽水管道设计技术规定DL/T5054-2016》和《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程DL/T5366-2014》为依据，确定了载荷工况如下：

（1）运行初期冷态工况；

（2）运行初期热态工况；

（3）管道应变自均衡后的冷态工况；

（4）水压试验（或管路清洗）工况；

（5）各种暂态工况，如阀门瞬间启闭工况、安全阀动作工况等。

3、支吊架布置设计实例

小型热电联产工程中，管道数量繁多且较复杂，文中以某小型热电联产工程主蒸汽系统的管道应力分析为例，以CAESARII管道应力分析软件为平台进行数值模拟计算，对主蒸汽管道中的支吊架进行了布置设计。

3.1计算模型

该小型热电联产工程为次高压机组，主蒸汽压力为5.3MPa，温度为485℃，根据《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程DL/T5366-2014》确定蒸汽设计参数，计算模型中蒸汽设计压力为5.57MPa，设计温度为490℃，主蒸汽母管公称直径300mm，壁厚13mm，管道材料为无缝钢管12Cr1MovG，保温材料采用硅酸铝管壳+岩棉管壳。

3.2计算结果及分析

通过数值模拟计算，设计结果见表1～2和图1。模型中编号301、302为三通处，该模型中支吊架布置设计的难点一方面在于锅炉的布置相对于汽轮机的布置不对称，蒸汽管道热膨胀载荷不均匀，另一方面控制室占的面积太大，使主蒸汽母管的π型补偿器不能满足补偿要求。在热胀载荷作用下，各管道的热胀位移方向不一致，很容易使主蒸汽母管上的三通和阀门处成为应力危险点。

本项目的主蒸汽管道支吊架设计中，均利用锅炉钢柱、主厂房混凝土梁柱、主厂房板面、汽轮机混凝土柱等作为支吊架生根面，预留了预埋件。

考虑在三通或者阀门处且管道对称的位置设置固定支架，固定支架在节点1或2、10或11处选择，由于2、10节点处有主厂房的次梁，作为固定支座的生根面安全可靠，经过计算管段的热伸长量以及管段膨胀产生的推力大小计算结果比较，最后确定2、10节点设置为固定支架。从模型图中可以看出，在主蒸汽母管π型弯处又增加了两个小的π型弯，如果没有这两个小的π型弯，无论怎么调整管道支吊架形式，整个管系的应力计算始终不合格，原因是主蒸汽母管的π型弯外伸臂太短，不能吸收蒸汽管道热膨胀所带来的位移；

从表1可以看出，加了两个小的π型弯后，当5、7号支架为滑动支架时，2号固定支架和5号滑动支架的应力值超出了设计标准和规范的要求，没有达到设计目的，需要改变支架的形式，由于2号固定支架在总阀门的一侧，所以笔者改5、7号滑动支架为导向支架，改变之后2、5、7、10号固定支架的应力满足标准、规范的要求，达到了设计目的，见表2；固定支架、导向支架这些受力和力矩大的支架的生根面一定要在梁柱上，以确保安全。

4结语

在整个小型热电联产工程的管道工程投资中，虽然支吊架系统所占的比例很少，但支吊架对整个管道系统的安全运行起着至关重要的作用；主蒸汽支吊架布置时，首先要确定固定支架的位置，自然补偿时，固定支架间距必须满足：（1）管段的热伸长量不得超过补偿器的允许补偿量；（2）管段因膨胀产生的推力不得超过固定支架所能承受的允许推力直。固定支架是用来承受管道因热胀冷缩时所产生的推力，支架和基础必须坚固，应将固定支架布置在厂房梁柱处，利用主厂房里的梁柱作为固定支架的生根面；考虑在应力集中处，如阀门、三通处设置固定支架来保护这些敏感位置。

蒸汽管道系统需要进行管道系统的应力分析，蒸汽管道系统应力分析不能满足规范要求，则需要对支吊架的位置和形式进行局部调整。当多次调整后仍不能满足规范要求，则有必要修改管道走向，然后重复上述过程，直到满足规范要求。

针对小型热电联产工程的蒸汽管道应力分析中支吊架形式的调整和功能选择，正确选用支吊架，调整和改善管系的应力分布状态，使管系适应变形的需要是十分重要的，正确设置支吊架是一项重要的工作。

参考文献：

[1]DL/T5054-2016《火力发电厂汽水管道设计技术规定》北京：中国电力出版社：2016

[2]DL/T5366-2014《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》北京：水利电力出版社：2014

[3]中小型热电联产工程设计手册编写组编《中小型热电联产工程设计手册》北京：中国电力出版社：2006