现行的管道设计规范中通常是从静力分析的角度出发,在弹性和弹塑性范围内分析管道结构是否具有足够强度,并适当考虑高温蠕变和疲劳强度,考察的目的是避免管材发生屈服或产生过大变形,其主要限定指标为许用应力。实际工程中,由于管道工作温度升高,热应力无法忽略,管道作为特殊杆件,在管道应力达到屈服强度以前就可能失稳,因此有必要对管道热屈曲行为进行研究。本文在弹性杆件轴线可伸长的基础上,针对热应力的非保守性,分别采用平衡时势能最低原理和静力平衡原理建立了大变形条件下管道热屈曲的非线性控制方程,求解获得管道屈曲后,管道最大变形、几何尺寸、管端约束力以及管内物质温度之间的关系。考虑到大变形前提下能量法建立的热屈曲控制方程的代数复杂性,通过分析各种变形条件下的管道轴线长度变化和管道与水平方向夹角大小,证明了在应用能量法分析热屈曲问题时,采用小挠度假设的适用性,并通过对比小挠度时的控制方程计算结果与大挠度假设下控制方程的计算结果,为小挠度假设的适用性提供反证。同时,还分析了不同管道柔度条件下的T / Tc r?β关系,对传统欧拉方法求得的临界温度的物理意义进行了说明,为证明控制方程的准确性,还将解析解与打靶法获得的数值解进行对比。考虑到实际工程中,并不一定要求管道保持绝对平直,求解了允许一定变形条件下本文控制方程的解析解和传统的压杆稳定理论解的差异。最后,利用推导所得的热屈曲控制方程和管内强制对流换热理论分析解决了北方某电厂减温减压管道出现的变形过大的问题,提出新的改进结构,并用ASME判断式对改进前后管系的自补偿能力进行初步判断。为将改造结构用于实际,还应用ANSYS软件对改造管系进行数值模拟。