燃气轮机防冰进气管道应力补偿设计

0 引言

热力管道作为一种特种设备被广泛应用于各种工业场所，其内部流体温度通常高达几百摄氏度。热力管道的应力主要是由管道承受的内压、外部载荷、偶然载荷和热膨胀等因素引起的，管道在这些载荷作用下的应力状态十分复杂[1]。这些载荷会施加热应力和机械应力于管道，引起管道形变甚至疲劳破裂，这不仅会影响防冰系统功能的实现，还会带来安全隐患，因此，防冰进气管道必须具有较高的可靠性。进行管道应力分析、确定合适的补偿方式是管道系统可靠性设计的关键[2]。

[例2]When Hans P.left he said from a steep moral height:“Of course you must understand that I never allow personal feelings to interfere with my critical conscience.”（2014：431）

本文结合某型船舶热力防冰管道的使用条件和运行工况，通过对进行补偿后的管道进行应力分析与计算，确定管道中的应力分布和位移状况，为管道的安全性评估和经济性分析提供依据。

本研究的局限性在于没有设置对照组。如可以与未行手术的脊柱转移瘤患者进行对比，或者将PKP与PVP直接相比，特别是在骨水泥渗漏率及后凸畸形的矫正方面均有较大的临床指导意义。另外，纳入的病例数量较少，其结论有待于进一步的较大宗病例与中长期随访结果证实。

作为当前国际诗坛上最具影响力的先锋诗群之一，美国语言诗派(the language poetry)的创作实践和诗学主张已为不少研究者所关注，在理论层面得到较为系统的阐述。但在谈及语言诗的诗学渊源时，论者大都偏重其与语言论诗学及解构主义诗学的关系，而对马克思主义诗学这一重要的艺术泉源未予足够重视。这在很大程度上遮蔽了语言诗所包蕴的意识形态诉求。

1 管道应力分析

1.1 管道应力分析软件

[3] 万波, 赵浩. 管道设计中的应力分析[J]. 广东化工,2013, 40(5): 161-162.

1.2 管道应力校核

管道应力分析的主要任务是对管道的载荷、应力和变形等进行力学分析，使管道在设计条件内的各种载荷作用下，能有效地抵抗不被允许的变形、位移和破坏，保证管道的安全性和经济性[3]。除了需要对一些特殊工况的管道进行动力分析外（例如：往复式压缩机和往复泵管道）[4]，对于一般的管道只需做静力分析，即对管道进行静力学计算，并采用一定校核标准对应力计算结果进行评定。然而，使用不同的校核标准会得到不同的安全评定结论，因此，如何选择合理的校核标准是校核工作的前提和基础。

管道静力校核标准主要有两种：1）应力分类校核法；2）综合应力校核法。

1.2.1 应力分类校核法

不同的载荷源将引起不同形式的应力，而不同形式的应力对损伤破坏的影响也各不相同。根据产生应力载荷源的不同，可将应力分为一次应力和二次应力两大类[5]。

1）一次应力

3.1 出血的机制及诱因 手术后出血是痔疮疾病手术后的主要并发症之一，因为术后肛门局部疼痛刺激致括约肌痉挛收缩，加之肛门内填塞物压迫堵塞，使直肠内出血时血液倒流于结肠。肛管直肠的齿线区附近有极其丰富的血液供应，痔上动脉、痔中动脉、痔下动脉及骶中动脉均在此相互交通，吻合成网，易出血。按出血的类型又可将出血可分为原发性出血和继发性出血。痔疮疾病手术后出血这一并发症严重影响肛门病患者的手术质量、术后康复和生活质量。如何减轻痔疮术后出血，提高患者生活质量，增强患者战胜疾病的信心，对提高患者的术后康复和生活质量具有重要的意义。

一次应力主要由内压、外部载荷和偶然载荷等因素引起，它是平衡外力载荷所需要的应力，随着外力的增加而增加，其特点是非自限性[6]。当管道内的塑性区扩展到极限状态，使之变成几何可变的结构时，即使外力载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏[7-8]。

（1）持续载荷作用下的一次应力

系统较大的位移偏转量会导致管道与周围其他部位产生碰撞，甚至造成安全事故。因此，需要通过添加位移约束装置使得管道位移变形在相关标准规定的范围内。

 

式中：MB为偶然载荷产生的弯矩，N·mm；K为管道外径与内径之比，与运行压力波动有关，此处取1.2。对于内压圆筒，如果采用薄壁假设，K=1.2时的误差约为10%，这在工程上是允许的[10]。

（2）偶然载荷作用下的一次应力

偶然载荷也能产生一次应力。偶然载荷指的是风、地震和振动等载荷，此类荷载多系偶然发生，同时发生几率极小，在一般静力分析中，可不予考虑[9]。偶然载荷下的一次应力需满足式（2）的要求，即

 

式中：P为管道设计压力，MPa；D为管道平均直径，mm；δ为管道的厚度，mm；i为应力增强系数；MA为压力、重力等持续载荷产生的弯矩，N·mm；W为截面模量，mm3。

因为酒店管理这一专业有着很强的实用性以及实践性，因此学生在进行这门专业的课程学习过程中，最主要的目的就是在未来的工作过程中可以对酒店管理工作做得更好。但是因为当今我国很多院校的酒店管理专业在教学的过程中都有着很多的问题存在，不仅有着十分复杂的教学内容，而且随着经济的不断发展，以及社会对人才的要求不断更新，使得这一专业的教师在进行实践教学的过程中也要面临越来越巨大的挑战。

2）二次应力

表3～表5分别为主管限位器的位移值、竖管限位器的位移值以及弹性支架的位移值。由表 3可知：主管上的限位器沿着轴向的位移变化较小，最大为74.014 mm，满足设计要求；由表 4可知：立管中的限位器左右的最大位移均未超过10 cm，满足设计要求；由表5可知：水平主管道上的弹性支架的最大位移未超过10 cm，满足设计要求。

在管道的应力分析中，二次应力的校核是最基本的强度校核之一。通过对管道中二次应力的数值加以限制，可避免装置运行时发生的疲劳破坏。二次应力应满足公式（3）和公式（4）的要求[11]，即

 

式中：σE为位移应力，MPa；MC为热膨胀产生的弯矩，N·mm为常温下的许用应力，MPa；f表示某种函数。

功能性便秘(functional constipation，FC)是指具有持续性排便困难、排便次数减少或排便不尽感的非器质性肠病，严重困扰患者日常生活及工作[1-2]。护航官兵航海前FC患病率为9.03%，长远航后FC患病率为22.10%，较航海前增加[3]。近年研究表明，FC患者同时存在精神心理障碍及睡眠障碍，影响官兵生活质量及工作效率[4]。目前，常规治疗药物如大黄、酚酞等，长期使用反而加重FC[5]。肠电生理起搏治疗是一种治疗胃肠功能障碍性疾病的新疗法，具有疗效显著、无痛苦、无创伤、费用低等优点[6]。本研究旨在通过对比分析肠电生理起搏对FC临床症状的改善情况，并分层评估其临床疗效。

1.2.2 综合应力校核法

将各种不同载荷引起应力按照一定的规则进行综合，得出一个合应力，这就是综合应力校核法。综合应力校核法包括两类：一类是解释断裂失效的，包括最大拉应力和最大伸长应变理论；另一类是解释屈服失效的，包括最大切应力理论、畸变能密度理论和米塞斯屈服准则等。相关文献表明[12]：考虑到管道的安全性和可靠性要求，米塞斯屈服准则最符合金属管道的特性分析。本文建议采用米塞斯屈服准则作为判据，进行管道应力计算分析，以获得更为安全的设计结果。公式（5）为米塞斯屈服准则的表达式。

 

式中：1σ、2σ、3σ分别为管道校核点在综合载荷（热、压力、偶然载荷等）作用下的三个方向的主应力，MPa。

2 应力计算与结果分析

2.1 部件参数

防冰进气管道所采用材料的性能参数见表1，其它温度点的材料性能参数可通过线性拟合获得。其密度为7 900 kg/m3，且不随温度变化。防冰系统设计工况为：位于燃气轮机接入点之后并且在阀门前的管路的温度为380℃，压力为2.3 MPa；阀后的管路的温度为480℃，压力为2.3 MPa；运行压力在1 MPa～2 MPa；设计流量为20 kg/s。

隆庆六年(1572)天复60大寿，生日的那天，徐渭作《张大夫生朝》祝贺：“解组归来白发新，每因萸菊赏年辰，沅州芳草行吟后，镜水荷花荡桨春。百粵既凭传檄定，五湖宜着浣纱颦。南冠未必长留系，来问桃源第几津。”[1]272-273天复自云南削职归来，在镜湖之滨构筑许多别业，以养鱼灌花、诗酒自娱。凭着天复对镜湖别业景色的描写，加之徐渭旧日游憩时的记忆和想象，在《张大夫生朝》基础上，徐渭为天复的别业赋有《镜波馆》《流霞阁》《垂纶亭》七律三首。徐渭诗中有“南冠未必长留系，来问桃源第几津”，“南冠”有“囚犯”之意，因此，这二句诗意味着，徐渭已经感到出狱有望，开始向往起陶渊明式的生活。

 

表1 不同温度下材料的性能参数

  

温度/℃ 弹性模量/MPa热膨胀系数/(mm /℃)许用应力/MPa 20 1.95×105 1.60×10-5 200.0 200 1.86×105 1.65×10-5 157.0 300 1.79×105 1.70×10-5 147.0 500 1.65×105 1.80×10-5 119.0

主管道设计成异径管，不同管径管道之间采用渐缩管连接，如图1所示。管道截面参数见表2。

 

表2 管道截面参数

  

编号 截面 绝热层直径/mm 厚度/mm 密度/(kg·m−3) 厚度/mm 1 219 6.3 48 20 2 168 6.3 48 20 3 139.7 5 48 20 4 89（立管） 5 48 20

  

图1 燃气轮机防冰进气管道模型

2.2 计算分析模型建立

某船舶燃气轮机防冰进气管道设计模型如图 1所示。由图 1可知：该设计管系为空间管系，但其大部分的主管道在同一平面内，且该管系具有一定的自补偿能力。需要指出的是：尽管在主机连接处的管系为连续的空间弯，具有很强的自补偿能力，但是由于主机连接处位移及力的要求，因此在管系设计过程中应考虑管系的位移变形对主机的影响。另外，管系中存在 2处阀门部件，为较大的集中质量载荷，在设计补偿时，应考虑这些部件的重力支撑及对管系力的杠杆作用。

2.2.1 应力补偿

应力补偿时，除了应保证应力在许用应力范围内，还要留有一定的应力补偿裕度，以保证系统安全运行。文献[13]的研究结果表明：与法兰相比，球形接头具有较强的应力和位移补偿能力，因此本文处理阀门部件时采用球形接头。

2.2.2 位移约束

管道中由压力、重力和其他持续载荷（如加速度）所产生的纵向应力之和不应该超过材料在预期最高温度下的许用应力，即

基层是宣传工作的第一线，主要目的是为基层群众传播党的政策、传递政令。任何一项中央的路线、方针、政策出台后，都需要宣传到广大人民群众中去，才能实现统一思想，凝聚力量的目标。实践证明，党和国家任何大的战略部署，任何好的方针政策，任何为人民群众谋利益的重要举措，如果不通过卓有成效的基层宣传工作，使之变为人民群众积极、自觉的行动或取得人民群众的理解和支持，都难以取得预期效果。但很多基层单位在宣传工作中，存在着照本宣科，习惯用官话、空话、套话，方式单一，针对性不强，没有找准定位和结合点，没有用群众自己的语言宣传等问题，导致宣传流于形式，认可度不高，效果不好。

横向支路上添加 5个膨胀节，主要用于位移补偿及应力释放。主管上添加12个限位器，除编号167与205的安装间隙为 20 mm，其他限位器的安装间隙为10 mm（编号80与100的限位器除外）。立管上添加72个限位器，限制其在局部坐标内前后的位移，上下位移无限制，前后最大位移不超过10 cm。主管上添加5个Grinnell Hanger弹性支架，用于支撑管道重量，其具有一定的弹性，并且不限制移动位移，不同节点处采用不同刚性系数和尺寸的支架。为了避免位移的传递及干扰，本文算例中设置 1个固定支撑点，该支撑点位于纵向支路的正中间，起到限制位移并支撑重量的作用。

根据以上内容，最终在CAEPIPE中最终建立如图2所示的燃气轮机防冰进气管道应力计算模型。

  

图2 基于CAEPIPE的管道应力计算模型

2.3 计算结果分析

2.3.1 位移分析

图 3为管道位移变形示意图，该图同时示意了各节点在系统中的位置。

[4] 唐永进. 压力管道应力分析的内容及特点[J]. 石油化工设计, 2008, 25(2): 20-24.

二次应力是由热胀冷缩、端点位移等位移载荷所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使得位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。一般来说，只要不反复加载，二次应力一般不会导致管道的直接破坏，而会引起疲劳破坏。值得注意得是：当位移载荷极大，局部屈服或小量变形不足以使得位移约束条件或者自身变形连续要求得到满足时，管道也可能在一次加载的过程中就发生破坏。

值得注意的是：弹性支架对应的节点分别为 11、47、71、117、211，该支撑的主要作用是基于承重及工艺方面的考虑，具体的安装位置可结合工艺要求进行相应的调整。

根据图3，结合表3～表5可知：管道位移较小，位移变形在规定的范围内，满足设计要求。

  

图3 管道的位移变形示意图

 

表3 限位器的热位移值

  

节点 位移（全局）X/mm Y/mm Z/mm XX/(°) YY/(°) ZZ/(°)20 74.014 4.038 −10.000 0.040 1 −0.088 2 0.063 7 40 41.875 −10.000 −10.000 −0.134 8 0.068 5 0.297 6 80 0 −16.063 0 0.012 0 0.015 1 0.021 9 100 0 16.052 0 −0.043 2 0.030 2 0.087 0 130 −63.906 10.000 −10.000 0.126 6 0.034 6 −0.259 4 150 −31.731 5.570 −10.000 0.095 0 −0.002 4 0.058 7 167 −20.000 0.241 −11.814 0.042 5 −0.041 2 −0.241 2 173 −29.110 −9.188 −10.000 −0.015 3 −0.117 9 0.113 1 195 6.810 −10.000 −10.000 −0.127 3 −0.022 4 0.010 7 199 22.853 −10.000 −10.000 −0.137 8 0.027 7 −0.002 2 205 20.000 0.779 −20.000 0.040 2 0.220 8 0.034 0 215 38.819 10.000 −29.135 −0.121 3 0.086 4 −0.492 2

 

表4 立管限位器的相对位移值（部分）

  

节点 位移（全局）X/mm Y/mm Z/mm XX/(°) YY/(°) ZZ/(°)1201 83.419 0 15.787 0.037 8 −0.017 9 0.054 7 1202 82.561 0 32.082 −0.011 3 −0.017 9 0.054 7 1203 81.592 0 50.465 0.005 6 −0.017 9 0.054 7 1301 77.848 0 15.530 0.032 1 −0.020 9 0.056 6 1302 76.848 0 31.825 −0.009 6 −0.020 9 0.056 6 1303 75.721 0 50.208 0.004 8 −0.020 9 0.056 6 2101 58.680 0 12.850 0.021 3 −0.136 7 0.077 8

 

表5 弹性支架的位移值

  

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2.3.2 应力评定

对于本文的燃气轮机防冰进气管路算例，由图 4所示的管道应力分布图可知：在弯管处、质量集中点等位置出现了应力集中；应力最大位置出现在弯管处，最大应力为91.43 MPa。结合线性拟合的方法和表1的数据，可得：当温度为 380℃时，材料的许用应力为139 MPa，此时最大应力为许用应力的 65.76%；当温度为480℃时，材料的许用应力为129 MPa，此时最大应力为许用应力的70.87%。最大应力在许用范围内，满足管道安全评定要求。

  

图4 管道应力分布图

3 结论

本文在考察船舶燃气轮机防冰进气管道的使用条件和运行情况的基础上，基于管道有限元分析软件CAEPIPE，对防冰进气管道进行建模和应力分析，通过添加膨胀节、限位器和弹性支架的方式进行管道补偿设计，并根据计算结果对管道应力进行评定。结果表明：CAEPIPE能有效地模拟管道的力学性能，可为船舶燃气轮机防冰管道设计节约成本；补偿后管道在设计工况载荷下的应力与位移均满足相关要求，本文所提出的补偿方案合理可行。

参考文献：

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[2] 施红, 蒋彦龙, 王瑜, 等. 基于CAEPIPE的空气导管应力分析与补偿[J]. 世界科技研究与发展, 2011,33(1): 14-17.

CAEPIPE是目前常用的一种压力管道应力分析和动力分析专业软件，它由美国SST System, Inc.（SST）公司研发，既可以进行静态分析，也可进行动态分析。CAEPIPE向用户提供了完备的国际通用管道设计规范，且该软件的使用非常便捷。

首先，应该搭建科学化的信息技术管理系统与平台。针对现场施工管理的特殊性与变化性，信息技术管理系统必须具备合理性、科学性。相关上级主管领导应该加大对信息化管理系统平台的重视程度。通过对新技术的认知与认同，切合实际地将信息化管理系统平台应用到现场施工管理中去。其次，应该完善相应的信息化管理设备，如计算机、网络服务器、扫描仪等。最后，应该协调好施工现场各单位机构，对相关施工管理人员进行有效的监督与监管，必须将信息化管理平台工作细化，并对施工现场每个角度进行实时监控与管理，大大提高施工现场的工作效率。

[5] 唐永进. 压力管道应力分析[M]. 北京：中国石化出版社, 2010.

夏洛特表示，中农控股20多年来一直是IFA的资深会员，并在2017年正式成为IFA中国顾问团组织（CCG）成员，感谢中农控股对IFA工作的大力支持，同时也非常赞赏中农控股为中国乃至全球化肥贸易作出的突出贡献以及在科学施肥和服务三农领域的不断探索。

[6] 李坚. 管道应力分析及柔性设计[J]. 炼油技术与工程, 2010, 40(1): 61-64.

如果一元二次方程ax2+bx+c=0(a≠0)有两个实数根x1和x2，那么这就是著名的韦达定理.现行义务教育初中数学教材中的证法是利用一元二次方程ax2+bx+c=0的求根公式先求出它的两个根，然后分别计算这两根之和与两根之积.笔者在文[1]中不借助于一元二次方程的求根公式给出了韦达定理的三种代数证法,本文再给出韦达定理的三种几何证法,供大家参考.

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传统发展观的超越：习近平新时代绿色发展理论……………………………………………刘保国，张宏莉（4，69）

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