第6章管道的热应力计算.ppt

1,第6章 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,城市供热管网是由管道、活动支架、固定支架、补偿器、阀门、排水和放气装置等所组成 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,3,6.1 管道热伸长量计算,管道受热膨胀的伸长量 ： 一般钢管可取 =1.2×10-5 m/m·℃ 6.2 供热管道的强度计算 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的力、力矩和应力，从而判断所设计的管道是否安全、经济 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、管道附件所受应力是否超出许用应力等,,,4,6.2 供热管道的强度计算,主要包括的应力有： ⑴由于管道内的流体压力（简称内压力）作用所产生的应力； ⑵管道在外部荷载作用下所产生的应力 ⑶供热管道由于热胀和冷缩所产生的应力 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力,5,许用应力分类：,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 ⑴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 ⑵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 6,许用应力分类：,⑶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 7,许用应力分类：,⑷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 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6-4,,,,8,6.3管壁厚度及活动支架间距的确定,6.3.1 管道壁厚的确定 理论计算壁厚 ： 计算壁厚 ：,,,,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6.0~7.0mm者，c=0.6mm；理论计算壁厚为8.0~25.0mm者，c=0.8mm管子壁厚的附加值不得小于0.5mm9,6.3.2管道活动支架的确定,6.3.2.1按强度条件确定活动支架的允许间距 6.3.2.2按刚度条件确定活动支架的允许间距,,,,10,,热水管道按挠度：,,,不通行地沟内管道活动支架的最大允许间距（m）,,11,6.4 管道热补偿,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。

6.4.1方型补偿器,12,6.4.1方型补偿器,方型补偿器需要确定如下参数： ⑴方型补偿器所补偿的管道热伸长量，按式6-1计算确定； ⑵选择方型补偿器的型式和几何尺寸； ⑶根据方型补偿器的几何尺寸和热伸长量，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； ⑷对方型补偿器进行应力验算13,6.4.1方型补偿器,6.4.1.1减刚系数：弯管刚度降低的系数 6.4.1.2方型补偿器值的确定方法,,（当h≤1）,,（当h＞ 1）,,弯管尺寸系数,,,,14,6.4.1方型补偿器,光滑弯管方型补偿器的折算长度 ：,,15,6.4.1方型补偿器,方型补偿器弹性力和管段形变的关系 ： 冷紧：,,,,,16,6.4.1方型补偿器,6.4.1.3方型补偿器的应力验算 管道某一截面上的最大弹性弯曲应力 最大弹性弯曲力矩 ：,,,,,当,时，位于C点,当,时，位于D点,,,（ 0.85）,,17,6.4.1方型补偿器,6.4.1.4方型补偿器的尺寸计算,,方型补偿器的类型 Ⅰ型：B=2H Ⅱ型：B=H Ⅲ型：B=0.5H Ⅳ型：B=0,18,6.4.1方型补偿器,例题6-1 已知φ108×4mm碳钢无缝钢管，管内热媒为1.3MPa的饱和蒸汽（t≈194℃），周围环境温度为-10℃，固定支架间距离为65m。

计划选用Ⅱ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19,6.4.2套管补偿器,适用范围： 内压产生的摩擦力,当DN=150~400mm时,当DN=400~800mm时,螺栓产生的摩擦力,分别计算取大值,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工作压力：铸铁制为Pg≤1.3MPa；钢制为Pg≤1.6MPa 导向支架,20,6.4.3球形补偿器,特点：具有补偿能力大（比方型补偿器大5~10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 规格：DN40~DN1000mm；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±15° 补偿量： 转动摩擦力矩M值，见表6-15,21,6.4.4波纹补偿器,组成：是由金属波纹管、短管和其他构件组成 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 特点：具有结构紧凑、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,22,6.4.4波纹补偿器,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 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,23,6.4.4波纹补偿器,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 角向型可吸收角向位移，主要有单向角向型和万向角向型 另外：单侧和双侧补偿；压力平衡型和压力不平衡型；矩形和圆形,,,,轴向,24,6.4.4波纹补偿器,例题6-1～3,,,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,25,6.4.5自然补偿管段,,,,,,,,,直角自然补偿,26,6.4.5自然补偿管段,L型和直角型短臂： 长臂的长度一般应取20~25m左右 对于Z型补偿器，其垂直臂的长度：,,,,27,6.5供热管道固定支架间距及其受力计算,6.5.1 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 6.5.2 固定支架的受力计算 垂直压力 水平推力：见表6-16～２１ ⑴由于活动支架上的摩擦力而产生的水平推力； ⑵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； ⑶在设置套管补偿器时，由于管道内压而引起的水平推力； ⑷直埋管道由于土壤的摩擦力而产生的水平推力。

28,6.6 直埋热水供热管网的应力计算,外壳与土壤间摩擦力的计算 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,,,29,6.6 直埋热水供热管网的应力计算,,,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：,,,,30,锚固点及伸长量计算,,,,弹性热伸长量,31,部分塑性热伸长量计算,部分塑性伸长量 塑性压缩变形量 转角管段的应力验算 直埋弯头的应力验算应满足：,,,,32,转角管段的应力验算,,内压作用下环形应力,,弯矩作用下最大环形应力,,,33,6.7 直埋供热管道的固定墩设计计算及竖向稳定性验算,6.7.1 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的作用力、内压产生的不平衡力、活动端位移产生的作用力，具体计算见表６-２３ 抗滑移系数应符合下式要求：,,固定墩受力简图,34,6.7.1 管道推力与固定墩的稳定性验算,固定墩抗倾覆系数： 6.7.2 管道竖向稳定性验算,,,,。