蒸汽管道直埋轉(zhuǎn)架空段的應(yīng)力分析

張全江，王浩祥（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

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蒸汽管道直埋轉(zhuǎn)架空段的應(yīng)力分析

張全江，王浩祥（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

本文使用管道應(yīng)力分析軟件CeasarⅡ?qū)φ羝艿乐甭褶D(zhuǎn)架空段進(jìn)行了建模計(jì)算，探討了直埋蒸汽管道及旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的建模方法，校核了管道應(yīng)力，同時(shí)也比較了將蒸汽管道鋼套鋼直埋部分簡(jiǎn)化為工作鋼管架空進(jìn)行建模計(jì)算的結(jié)果，驗(yàn)證了這種簡(jiǎn)化計(jì)算的可靠性。

CaesarⅡ；直埋蒸汽管道；鋼套鋼；旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器；應(yīng)力分析

1　引言

在工業(yè)管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)力分析是重點(diǎn)及難點(diǎn)，彎頭、三通等位置的應(yīng)力超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致管道破壞釀成事故。CaesarⅡ是工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的管道應(yīng)力分析軟件，它可以對(duì)架空或直埋管道、各類支吊架及補(bǔ)償器等進(jìn)行建模及應(yīng)力計(jì)算，幫助解決各類較為復(fù)雜的管道應(yīng)力核算及優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

本文將選取供熱工程中較為常見(jiàn)的鋼套鋼蒸汽管道直埋轉(zhuǎn)架空段進(jìn)行建模分析，使用CeasarⅡ的土壤模型對(duì)直埋部分進(jìn)行模擬，使用雙線性剛度模型對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器進(jìn)行模擬，對(duì)該管段進(jìn)行應(yīng)力分析。

2　案例概述

圖1　工程案例示意圖

圖1所示為一段DN600蒸汽管道的平面示意圖，虛線和實(shí)線部分分別代表直埋和架空部分，直埋部分管道結(jié)構(gòu)為工作鋼管-保溫層-外護(hù)鋼管 （即鋼套鋼預(yù)制保溫蒸汽管道），架空部分管道結(jié)構(gòu)為工作鋼管-保溫層-鍍鋅鐵皮外護(hù)層。工作鋼管材質(zhì)均為20#鋼，設(shè)計(jì)壓力為2.42MPa，設(shè)計(jì)溫度為300℃，直埋管道外護(hù)鋼管材質(zhì)為Q235B，設(shè)計(jì)溫度為50℃，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩為63.2kN·m，管道初始安裝溫度為20℃，D處出地點(diǎn)管道高差為5m，直埋管道管頂覆土深度為1.4m，E點(diǎn)管道高差為2.36m。

本次應(yīng)力分析的目的是校核鋼套鋼直埋蒸汽管道工作管彎頭B、C的應(yīng)力是否超標(biāo)，求出D點(diǎn)的熱膨脹位移以及計(jì)算固定支架A、F的受力大小。

3　建模及應(yīng)力計(jì)算

3.1基本數(shù)學(xué)模型

3.1.1雙線性剛度模型

圖2　雙線性剛度模型示意圖

如圖2所示，雙線性剛度模型表示了載荷與相應(yīng)位移的關(guān)系，即在作用力未達(dá)到屈服載荷時(shí)剛度為K1，超過(guò)屈服載荷時(shí)剛度為K2。雙線性模型可以模擬彈性-塑性變形過(guò)程及靜摩擦-動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換過(guò)程所對(duì)應(yīng)的載荷及位移情況，是土壤約束和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器力矩建模的理論基礎(chǔ)。

3.1.2土壤模型

CaesarⅡ軟件中土壤模型的理論依據(jù)是直埋管道受熱伸長(zhǎng)時(shí)與周圍土壤發(fā)生彈性-塑性變形過(guò)程，轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)為最大土壤約束，這是對(duì)真實(shí)情況土壤約束下載荷-位移曲線的簡(jiǎn)化模型。

根據(jù)實(shí)際情況，軟件中的土壤模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　土壤模型參數(shù)設(shè)置表

3.2蒸汽管道的建模

3.2.1管道的建模要點(diǎn)

圖3　管段模型圖

圖3為管段建模后的管段模型圖，可以看出直埋部分已經(jīng)被施加了土壤約束。該管段的建模有如下幾個(gè)要點(diǎn)：

（1）鋼套鋼管道關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置：CeasarⅡ軟件中關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)用Cnode表示，例如鋼套鋼直埋蒸汽管道內(nèi)固定支架處，工作鋼管A點(diǎn)和外護(hù)鋼管A′點(diǎn)由內(nèi)固定支架焊接在一起，軟件中工作鋼管A的Cnode便需輸入A′的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，以表示他們是連在一起的。

（2）彎頭曲率半徑的設(shè)置：彎頭曲率半徑會(huì)直接影響到其應(yīng)力大小，鋼套鋼預(yù)制直埋蒸汽管道彎頭中，工作鋼管彎頭為R=3D，外護(hù)鋼管彎頭為R=1.5D，而架空管道采用R=1.5D的工作鋼管現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接施工。

（3）管道出地點(diǎn)的外護(hù)管設(shè)置：圖1中出地點(diǎn)D的蒸汽管道外護(hù)鋼管需擴(kuò)大型號(hào)，為工作鋼管熱伸長(zhǎng)提供空間，擴(kuò)大管的規(guī)格由熱伸長(zhǎng)長(zhǎng)度選取。

3.2.2旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的建模要點(diǎn)（見(jiàn)圖4～6）

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)如圖4所示，它通過(guò)內(nèi)管和外管的相對(duì)旋轉(zhuǎn)來(lái)吸收管道的伸長(zhǎng)，內(nèi)外管之間通過(guò)密封填料來(lái)接觸。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器應(yīng)力分析的核心是轉(zhuǎn)矩的建模，其在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中密封填料與內(nèi)外管之間為動(dòng)摩擦-靜摩擦受力，因此CaesarⅡ軟件中可使用雙線性剛度模型來(lái)模擬。如圖5所示，內(nèi)管的G、H點(diǎn)分別與外管的G′、H′點(diǎn)為關(guān)聯(lián)點(diǎn)，內(nèi)管和外管之間的重疊部分為G-H與G′-H′段，為了模擬旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)矩，需在G和H點(diǎn)設(shè)置RY2雙線性剛度約束來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的建模，使剛度K1為無(wú)窮大，K2為無(wú)窮小，轉(zhuǎn)矩按照旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器產(chǎn)品手冊(cè)中的工作轉(zhuǎn)矩來(lái)取值，為了更貼近實(shí)際情況，可在G-H段設(shè)置產(chǎn)品的重量。建立好的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器模型見(jiàn)圖6。

圖4　旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖

圖5　旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器模型示意圖

圖6　旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器模型圖

3.3直埋部分簡(jiǎn)化后的建模

圖7　直埋管道簡(jiǎn)化為架空管道模型圖

鋼套鋼直埋蒸汽管道的建模較為繁瑣，因其需要建立外護(hù)管并使用埋地模型，為了簡(jiǎn)化分析，將外護(hù)管內(nèi)支撐工作管的滑動(dòng)支架、阻擋支架及固定支架等效為對(duì)應(yīng)的工作鋼管架空支架，全部按架空管道進(jìn)行建模并對(duì)比應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。如圖7為簡(jiǎn)化后的模型圖，可見(jiàn)取消了直埋管道外護(hù)管以及土壤約束。

4　結(jié)果分析

圖8　旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器變形圖

圖8所示為工作狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器變形圖，深色為變形后的位置示意，可見(jiàn)直埋管段工作管受熱伸長(zhǎng)使旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器發(fā)生了角位移（如表2）。

表2列出了部分節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（節(jié)點(diǎn)代號(hào)同圖1），可見(jiàn)B及C處直埋管道工作管彎頭在工作狀態(tài)下的二次應(yīng)力處于該溫度下許用應(yīng)力的35～40%，這表示彎頭應(yīng)力符合安全要求。工作管受熱伸長(zhǎng)，使D處產(chǎn)生320mm的軸向位移，推動(dòng)豎直管道使旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器工作轉(zhuǎn)矩下固定支架的受力如表2中所示。

表2　應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

直埋鋼套鋼蒸汽管道的工作管是由外護(hù)管中的內(nèi)滑動(dòng)支架支撐，因而在伸長(zhǎng)過(guò)程中軸向受內(nèi)滑動(dòng)支架對(duì)它的摩擦力，這與架空蒸汽管道受力的原理一致。表2也列出了將直埋鋼套鋼蒸汽管道簡(jiǎn)化為工作管架空進(jìn)行建模計(jì)算的結(jié)果，可見(jiàn)各節(jié)點(diǎn)的受力及位移與不簡(jiǎn)化建模所得出的結(jié)果相差無(wú)幾，這些細(xì)微的差別主要是由于直埋鋼套鋼蒸汽管道外護(hù)管受到土壤約束所導(dǎo)致的，因此簡(jiǎn)化建模對(duì)應(yīng)力分析結(jié)果影響很小。

5　結(jié)論

使用CaesarⅡ軟件對(duì)蒸汽管道進(jìn)行應(yīng)力分析具有簡(jiǎn)便、直觀、可靠的特點(diǎn)。本文利用該軟件的土壤模型及雙線性剛度模型對(duì)直埋鋼套鋼蒸汽管道轉(zhuǎn)架空段進(jìn)行了建模分析，核算了彎頭應(yīng)力并求出了旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器工作狀態(tài)下管道熱伸長(zhǎng)量及固定支架所受的軸向推力。對(duì)于直埋鋼套鋼蒸汽管道，可將工作管簡(jiǎn)化為架空管道來(lái)計(jì)算受力，這樣也可以獲得較為準(zhǔn)確的受力分析結(jié)果。

［1］喬正凡.直埋蒸汽管道彎頭應(yīng)力分析與支座設(shè)置［J］.煤氣與熱力，2015，35（5）：10～13.

［2］《動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：558～562．

張全江（1989-），男，助理工程師，碩士，主要從事集中供熱、動(dòng)力工程相關(guān)設(shè)計(jì)工作。王浩祥（1992-），男，助理工程師，碩士，主要從事集中供熱、暖通空調(diào)相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

TU995.3

A

2095-2066（2016）17-0243-02

2016-6-1