燃?xì)廨啓C(jī)防冰進(jìn)氣管道應(yīng)力補(bǔ)償設(shè)計(jì)

裴后舉，蔣彥龍，施 紅，丁媛媛

（1. 南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，南京 210016；2. 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

熱力管道作為一種特種設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)所，其內(nèi)部流體溫度通常高達(dá)幾百攝氏度。熱力管道的應(yīng)力主要是由管道承受的內(nèi)壓、外部載荷、偶然載荷和熱膨脹等因素引起的，管道在這些載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜[1]。這些載荷會(huì)施加熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力于管道，引起管道形變甚至疲勞破裂，這不僅會(huì)影響防冰系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，還會(huì)帶來(lái)安全隱患，因此，防冰進(jìn)氣管道必須具有較高的可靠性。進(jìn)行管道應(yīng)力分析、確定合適的補(bǔ)償方式是管道系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[2]。

本文結(jié)合某型船舶熱力防冰管道的使用條件和運(yùn)行工況，通過(guò)對(duì)進(jìn)行補(bǔ)償后的管道進(jìn)行應(yīng)力分析與計(jì)算，確定管道中的應(yīng)力分布和位移狀況，為管道的安全性評(píng)估和經(jīng)濟(jì)性分析提供依據(jù)。

1 管道應(yīng)力分析

1.1 管道應(yīng)力分析軟件

CAEPIPE是目前常用的一種壓力管道應(yīng)力分析和動(dòng)力分析專業(yè)軟件，它由美國(guó)SST System, Inc.（SST）公司研發(fā)，既可以進(jìn)行靜態(tài)分析，也可進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。CAEPIPE向用戶提供了完備的國(guó)際通用管道設(shè)計(jì)規(guī)范，且該軟件的使用非常便捷。

1.2 管道應(yīng)力校核

管道應(yīng)力分析的主要任務(wù)是對(duì)管道的載荷、應(yīng)力和變形等進(jìn)行力學(xué)分析，使管道在設(shè)計(jì)條件內(nèi)的各種載荷作用下，能有效地抵抗不被允許的變形、位移和破壞，保證管道的安全性和經(jīng)濟(jì)性[3]。除了需要對(duì)一些特殊工況的管道進(jìn)行動(dòng)力分析外（例如：往復(fù)式壓縮機(jī)和往復(fù)泵管道）[4]，對(duì)于一般的管道只需做靜力分析，即對(duì)管道進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，并采用一定校核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。然而，使用不同的校核標(biāo)準(zhǔn)會(huì)得到不同的安全評(píng)定結(jié)論，因此，如何選擇合理的校核標(biāo)準(zhǔn)是校核工作的前提和基礎(chǔ)。

管道靜力校核標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種：1）應(yīng)力分類校核法；2）綜合應(yīng)力校核法。

1.2.1 應(yīng)力分類校核法

不同的載荷源將引起不同形式的應(yīng)力，而不同形式的應(yīng)力對(duì)損傷破壞的影響也各不相同。根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力載荷源的不同，可將應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力兩大類[5]。

1）一次應(yīng)力

一次應(yīng)力主要由內(nèi)壓、外部載荷和偶然載荷等因素引起，它是平衡外力載荷所需要的應(yīng)力，隨著外力的增加而增加，其特點(diǎn)是非自限性[6]。當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變的結(jié)構(gòu)時(shí)，即使外力載荷不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動(dòng)，直至破壞[7-8]。

（1）持續(xù)載荷作用下的一次應(yīng)力

管道中由壓力、重力和其他持續(xù)載荷（如加速度）所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和不應(yīng)該超過(guò)材料在預(yù)期最高溫度下的許用應(yīng)力，即

式中：P為管道設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為管道平均直徑，mm；δ為管道的厚度，mm；i為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；MA為壓力、重力等持續(xù)載荷產(chǎn)生的彎矩，N·mm；W為截面模量，mm3。

（2）偶然載荷作用下的一次應(yīng)力

偶然載荷也能產(chǎn)生一次應(yīng)力。偶然載荷指的是風(fēng)、地震和振動(dòng)等載荷，此類荷載多系偶然發(fā)生，同時(shí)發(fā)生幾率極小，在一般靜力分析中，可不予考慮[9]。偶然載荷下的一次應(yīng)力需滿足式（2）的要求，即

式中：MB為偶然載荷產(chǎn)生的彎矩，N·mm；K為管道外徑與內(nèi)徑之比，與運(yùn)行壓力波動(dòng)有關(guān)，此處取1.2。對(duì)于內(nèi)壓圓筒，如果采用薄壁假設(shè)，K=1.2時(shí)的誤差約為10%，這在工程上是允許的[10]。

2）二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是由熱脹冷縮、端點(diǎn)位移等位移載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必須的應(yīng)力。二次應(yīng)力的特點(diǎn)是具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使得位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。一般來(lái)說(shuō)，只要不反復(fù)加載，二次應(yīng)力一般不會(huì)導(dǎo)致管道的直接破壞，而會(huì)引起疲勞破壞。值得注意得是：當(dāng)位移載荷極大，局部屈服或小量變形不足以使得位移約束條件或者自身變形連續(xù)要求得到滿足時(shí)，管道也可能在一次加載的過(guò)程中就發(fā)生破壞。

在管道的應(yīng)力分析中，二次應(yīng)力的校核是最基本的強(qiáng)度校核之一。通過(guò)對(duì)管道中二次應(yīng)力的數(shù)值加以限制，可避免裝置運(yùn)行時(shí)發(fā)生的疲勞破壞。二次應(yīng)力應(yīng)滿足公式（3）和公式（4）的要求[11]，即

式中：σE為位移應(yīng)力，MPa；MC為熱膨脹產(chǎn)生的彎矩，N·mm為常溫下的許用應(yīng)力，MPa；f表示某種函數(shù)。

1.2.2 綜合應(yīng)力校核法

將各種不同載荷引起應(yīng)力按照一定的規(guī)則進(jìn)行綜合，得出一個(gè)合應(yīng)力，這就是綜合應(yīng)力校核法。綜合應(yīng)力校核法包括兩類：一類是解釋斷裂失效的，包括最大拉應(yīng)力和最大伸長(zhǎng)應(yīng)變理論；另一類是解釋屈服失效的，包括最大切應(yīng)力理論、畸變能密度理論和米塞斯屈服準(zhǔn)則等。相關(guān)文獻(xiàn)表明[12]：考慮到管道的安全性和可靠性要求，米塞斯屈服準(zhǔn)則最符合金屬管道的特性分析。本文建議采用米塞斯屈服準(zhǔn)則作為判據(jù)，進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算分析，以獲得更為安全的設(shè)計(jì)結(jié)果。公式（5）為米塞斯屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式。

式中：1σ、2σ、3σ分別為管道校核點(diǎn)在綜合載荷（熱、壓力、偶然載荷等）作用下的三個(gè)方向的主應(yīng)力，MPa。

2 應(yīng)力計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 部件參數(shù)

防冰進(jìn)氣管道所采用材料的性能參數(shù)見表1，其它溫度點(diǎn)的材料性能參數(shù)可通過(guò)線性擬合獲得。其密度為7 900 kg/m3，且不隨溫度變化。防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況為：位于燃?xì)廨啓C(jī)接入點(diǎn)之后并且在閥門前的管路的溫度為380℃，壓力為2.3 MPa；閥后的管路的溫度為480℃，壓力為2.3 MPa；運(yùn)行壓力在1 MPa～2 MPa；設(shè)計(jì)流量為20 kg/s。

表1 不同溫度下材料的性能參數(shù)

主管道設(shè)計(jì)成異徑管，不同管徑管道之間采用漸縮管連接，如圖1所示。管道截面參數(shù)見表2。

表2 管道截面參數(shù)

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)防冰進(jìn)氣管道模型

2.2 計(jì)算分析模型建立

某船舶燃?xì)廨啓C(jī)防冰進(jìn)氣管道設(shè)計(jì)模型如圖 1所示。由圖 1可知：該設(shè)計(jì)管系為空間管系，但其大部分的主管道在同一平面內(nèi)，且該管系具有一定的自補(bǔ)償能力。需要指出的是：盡管在主機(jī)連接處的管系為連續(xù)的空間彎，具有很強(qiáng)的自補(bǔ)償能力，但是由于主機(jī)連接處位移及力的要求，因此在管系設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮管系的位移變形對(duì)主機(jī)的影響。另外，管系中存在 2處閥門部件，為較大的集中質(zhì)量載荷，在設(shè)計(jì)補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)考慮這些部件的重力支撐及對(duì)管系力的杠桿作用。

2.2.1 應(yīng)力補(bǔ)償

應(yīng)力補(bǔ)償時(shí)，除了應(yīng)保證應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，還要留有一定的應(yīng)力補(bǔ)償裕度，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果表明：與法蘭相比，球形接頭具有較強(qiáng)的應(yīng)力和位移補(bǔ)償能力，因此本文處理閥門部件時(shí)采用球形接頭。

2.2.2 位移約束

系統(tǒng)較大的位移偏轉(zhuǎn)量會(huì)導(dǎo)致管道與周圍其他部位產(chǎn)生碰撞，甚至造成安全事故。因此，需要通過(guò)添加位移約束裝置使得管道位移變形在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

橫向支路上添加 5個(gè)膨脹節(jié)，主要用于位移補(bǔ)償及應(yīng)力釋放。主管上添加12個(gè)限位器，除編號(hào)167與205的安裝間隙為 20 mm，其他限位器的安裝間隙為10 mm（編號(hào)80與100的限位器除外）。立管上添加72個(gè)限位器，限制其在局部坐標(biāo)內(nèi)前后的位移，上下位移無(wú)限制，前后最大位移不超過(guò)10 cm。主管上添加5個(gè)Grinnell Hanger彈性支架，用于支撐管道重量，其具有一定的彈性，并且不限制移動(dòng)位移，不同節(jié)點(diǎn)處采用不同剛性系數(shù)和尺寸的支架。為了避免位移的傳遞及干擾，本文算例中設(shè)置 1個(gè)固定支撐點(diǎn)，該支撐點(diǎn)位于縱向支路的正中間，起到限制位移并支撐重量的作用。

根據(jù)以上內(nèi)容，最終在CAEPIPE中最終建立如圖2所示的燃?xì)廨啓C(jī)防冰進(jìn)氣管道應(yīng)力計(jì)算模型。

圖2 基于CAEPIPE的管道應(yīng)力計(jì)算模型

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 位移分析

圖 3為管道位移變形示意圖，該圖同時(shí)示意了各節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的位置。

表3～表5分別為主管限位器的位移值、豎管限位器的位移值以及彈性支架的位移值。由表 3可知：主管上的限位器沿著軸向的位移變化較小，最大為74.014 mm，滿足設(shè)計(jì)要求；由表 4可知：立管中的限位器左右的最大位移均未超過(guò)10 cm，滿足設(shè)計(jì)要求；由表5可知：水平主管道上的彈性支架的最大位移未超過(guò)10 cm，滿足設(shè)計(jì)要求。

值得注意的是：彈性支架對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分別為 11、47、71、117、211，該支撐的主要作用是基于承重及工藝方面的考慮，具體的安裝位置可結(jié)合工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

根據(jù)圖3，結(jié)合表3～表5可知：管道位移較小，位移變形在規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 管道的位移變形示意圖

表3 限位器的熱位移值

表4 立管限位器的相對(duì)位移值（部分）

表5 彈性支架的位移值

2.3.2 應(yīng)力評(píng)定

對(duì)于本文的燃?xì)廨啓C(jī)防冰進(jìn)氣管路算例，由圖 4所示的管道應(yīng)力分布圖可知：在彎管處、質(zhì)量集中點(diǎn)等位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中；應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在彎管處，最大應(yīng)力為91.43 MPa。結(jié)合線性擬合的方法和表1的數(shù)據(jù)，可得：當(dāng)溫度為 380℃時(shí)，材料的許用應(yīng)力為139 MPa，此時(shí)最大應(yīng)力為許用應(yīng)力的 65.76%；當(dāng)溫度為480℃時(shí)，材料的許用應(yīng)力為129 MPa，此時(shí)最大應(yīng)力為許用應(yīng)力的70.87%。最大應(yīng)力在許用范圍內(nèi)，滿足管道安全評(píng)定要求。

圖4 管道應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

本文在考察船舶燃?xì)廨啓C(jī)防冰進(jìn)氣管道的使用條件和運(yùn)行情況的基礎(chǔ)上，基于管道有限元分析軟件CAEPIPE，對(duì)防冰進(jìn)氣管道進(jìn)行建模和應(yīng)力分析，通過(guò)添加膨脹節(jié)、限位器和彈性支架的方式進(jìn)行管道補(bǔ)償設(shè)計(jì)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。結(jié)果表明：CAEPIPE能有效地模擬管道的力學(xué)性能，可為船舶燃?xì)廨啓C(jī)防冰管道設(shè)計(jì)節(jié)約成本；補(bǔ)償后管道在設(shè)計(jì)工況載荷下的應(yīng)力與位移均滿足相關(guān)要求，本文所提出的補(bǔ)償方案合理可行。

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