宋 静 宋 会 张庆民

中材建设有限公司（100076）

工业生产中，用来输送高温流体的管道非常普遍。 当高温流体进入管道时，由于流体温度与环境温度的差异，管壁会产生热膨胀，由于外部约束的存在，热变形受阻，热应力由此产生。热应力如果超过设备极限值，会造成设备损坏，影响正常生产运行。如果支座固定在钢结构上，通过热传导作用，钢结构的力学性能随着温度升高而下降，极易造成钢结构的变形、裂纹甚至断裂。因此，在设计阶段综合考虑温度、自重和其他外加载荷的影响，进行管道和支座的应力分析，是避免设备出现运行事故的必要环节。

文章运用有限元软件对管道系统的温度场进行模拟计算，得到热应力场的分布情况，并与不考虑温度效应时的结构分析结果进行比较，得出高温管道热应力分析的必要性，为今后高温管道系统安全运行提供理论依据。

1 模型

如图1 所示，输送管道直径为Φ1 500 mm，管道壁厚为8 mm，外有200 mm 厚度的外保温层，总长度约为23 m。 管道由滑动支座A 和滑动支座B进行约束固定，高温气流从管道上方进入，下部排出。

管道是用钢板卷制焊接成的的薄壁壳体，其厚度小于板面长宽的尺寸， 属于有限元的薄板问题。建立有限元模型时，薄板问题通常采用壳单元[1]。根据管道的几何结构，采用壳单元建模，有限元模型如图2 所示。

2 边界条件

1）位移边界条件:滑动支座A 限制管道水平方向移动，允许竖直方向自由伸缩；滑动支座B 使管道竖直方向固定约束，水平方向可以在小范围内移动。

2）载荷:管道内部高温气流温度450 ℃，滑动支座边缘温度264.3 ℃。内有50 mm 厚度的挂灰灰载，管道和支座自重。

图1 管道几何结构图

图2 管道有限元模型

3 热应力分析与结果讨论

由于滑动支座B 为主要约束部件，受力复杂，文章将以该支座为对象进行热应力分析结果的探讨。

3.1 静力强度计算

为了与热应力结果进行对比分析，在模型上单独施加静力载荷，进行静力强度分析。 通过加载载荷，同时支座底板已被约束，管道和支座会产生变形，利用有限元软件求解，可得到模型每个节点的应力和应变，其值可通过不同颜色在实体模型上呈现[2]。所得应力和变形结果如下图所示（图3～图4）。

表1 数据来源于GB 150.2—2011

由图3 可知，静力载荷下，最大等效应力为13 MPa，最大点位于支座立筋上。由于风管重量全部压在支座上，立筋向下传递压力，并由立筋的结构形式可知，两层立筋宽度不同，在上层立筋的弯矩作用下，最大点出现在下层立筋的内上角点与实际情况相符。

从图4 可知，静力结构分析下，支座几乎没有变形，具有良好的刚度。

图3 静力分析等效应力云图

图4 静力分析综合变形云图

3.2 热应力分析

根据给定的结构边界温度值， 确定计算边界条件， 同时在计算模型上施加材料的热特性参数，进行该模型的稳态温度场分析，计算得到模型的温度场分布。

图5 热应力分析等效应力云图

温度场分析得到的温度对结构分析的应变和应力有显著的影响，但结构的响应对热分析结果没有很大的影响，所以由温度求解得到的节点温度将在结构分析中用作体载荷。 改变单元类型，从热分析中施加温度体荷载，施加结构载荷，可得支座的热应力结果。 由图5 可知， 支座受力最大点为228 MPa＜320 MPa，强度满足要求。 温度作用下，支座膨胀变形，支座环形钢板由于立筋的阻挡作用，在环形板外边缘与立筋连接处受力最大。

4 结语

综上，静力作用下，支座几乎没有变形，具有良好的刚度，最大等效应力为13 MPa；温度作用下，支座膨胀变形，支座受力最大点为228 MPa。

由此可知，热应力比静应力大很多，高温下支座的破坏往往可能因热应力过大而导致。 因此，对高温管道系统进行热分析是必要的，在结构设计强度分析时，必须进行热应力分析。