9 管道应力和作用力计算

    应力分类法的主要特点在于将管道中的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力三类，分别采用相应的应力验算条件。
    管道由内压和持续外荷载引起的应力属于一次应力。它是结构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，由于材料进入屈服，静力平衡条件得不到满足，管道将产生过大的变形甚至破坏。一次应力的特点是变形是非自限性的，对管道有很大的危险性，应力验算应采用弹性分析或极限分析。
    管道由热胀冷缩等变形受约束而产生的应力属于二次应力。这是结构各部分之间的变形协调而引起的应力，当材料超过屈服极限时，产生小量的塑性变形，变形协调得到满足，变形就不会再继续发展。二次应力的特点是变形具有自限性。对于采用塑性良好材料的供热管道，小量塑性变形对其正常使用没有很大影响，因此二次应力对管道的危险性较小。二次应力的验算采用安定性分析。所谓安定性是指结构不发生塑性变形的连续循环，结构在有限塑性变形之后留有残余应力的状态下，仍能安定在弹性状态。安定性分析允许的最大的应力变化范围是屈服极限的2倍。直埋供热管道锚固段的热应力就是典型的二次应力。
    峰值应力是指管道或附件（如三通等）由于局部结构不连续或局部热应力等产生的应力增量。它的特点是不引起显著的变形，是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因，应力验算应采用疲劳分析。实际计算时对出现峰值应力的三通、弯头等应力集中处采用简化公式计入应力增大系数，用满足疲劳次数的许用应力范围进行验算，或使用有限元方法进行详细疲劳的分析验算。
    应力分类法早已在美国机械工程师协会（ASME）1971年的《锅炉及受压容器规范》中应用。我国《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》从1978年版就参考国外相关规范改为采用应力分类法。《城市热力管网设计规范》1990年版已经规定管道应力计算采用应力分类法，2002年版用条文将此法正式明文规定下来。
9.0.2 计算压力和计算温度是管道应力计算的基础数据。供热管道在高温和低温之间反复循环，本标准中采用“工作循环最高温度”与“工作循环最低温度”的用词，形成一个计算温度循环范围。
    工作循环最高温度取用热源设备可能出现的最高温度。这样的考虑是必要的，因为管网系统可能因某种原因会出现最高压力和温度，同时也为管道提升起点压力或温度留有必要的余地。
    工作循环最低温度取用正常工作循环的最低温度，即停热时经常出现的温度，而不采用可能出现的最低温度，例如较低的安装温度。因为供热管道一次应力加二次应力加峰值应力验算时，应力的限定并不取决于一时的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变的循环次数。安装时的低温只影响最初达到工作循环最高温度时材料塑性变形量，对管道寿命几乎没有影响。
    管道工作循环最低温度取决于停热时出现的温度。全年运行的管道停热检修一般在供暖期以后，此时气温、地温已较高，可达10℃以上。对于地下敷设由于保温效果好，北京地区实际测定停热一个月后，管壁温度仍达30℃；地上敷设由于管道也是保温的，停热一个月后气温上升管壁温度亦不会低于15℃。对于只在供暖期运行的管道，停热时日平均气温不会低于5℃，同样道理，地下敷设管壁温度不会低于10℃；地上敷设不会低于5℃。
    计算压力要大于或等于管网的最大运行压力，而热水管网最大运行压力与管网系统循环水泵的设置方式有关，可分为集中循环泵和分布循环泵等方式。
    第2款为热源处集中设置主循环泵的热水供热管网的计算压力取用的原则，该系统中主循环泵或中继泵的出口是管网系统中的压力最高点。
    第3款为分布循环泵式热水供热管网的计算压力取用的原则，在此系统中热源处主循环泵出口不是管网压力最高点，系统中回水压力要高于供水压力，各用户处循环泵扬程各不相同，通常是最不利用户处循环水泵的出口压力最大（其循环泵扬程也最大），其出口压力是管网系统中回水压力最高的点。
9.0.3 本条为地上敷设和管沟敷设管道（包括直埋蒸汽管道的工作管）应力计算方法的规定，具体内容列在本标准附录B。依据的是《发电厂汽水管道应力计算技术规程》DL/T5366-2014，理由是：

    1 适用于地上敷设、管沟敷设管道和直埋敷设蒸汽管道工作管。

    2 适用于直埋敷设热水管道，其中固定点两侧管段土壤摩擦力下降造成的轴向力变化的差异，可按现行行业标准《城镇供热直埋热水管道技术规程》CJJ/T81的规定计算。
    管道的作用力合成的原则说明如下：
    1） 因为管道活动支座的表面摩擦状况并不完全一样，存在计算误差，同时管道启动时两侧管道不会同时升温，因此热胀受约束引起的作用力和活动端作用力的合力不能完全抵消。计算时应在作用力较小一侧乘以小于1的抵消系数再进行计算。根据大多数设计单位的经验，架空敷设和管沟敷设（包括直埋敷设蒸汽管）管道抵消系数取0.7较稳妥。直埋敷设热水管道考虑固定墩可以有微量位移，摩擦力抵消系数取值大于架空敷设管道。
    2） 内压不平衡力的抵消系数为1，即完全抵消。因为计算管道横截面和内压值较准确，同时压力在管道中的传递速度非常快，固定点两侧内压作用力同时发生，可以考虑完全抵消。
    3） 因支管的工作时间不一定是一致的，且支管对固定点的作用力大小和方向不相同，所以同时计算几个支管对固定点的作用力时，支管作用力应按其最不利组合计算。