結(jié)合案例簡(jiǎn)述CAESAR II在管道應(yīng)力分析及柔性設(shè)計(jì)中的使用

李 龍，庫(kù)偉轉(zhuǎn)

(華東理工大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200237)

管道布置設(shè)計(jì)的過(guò)程，是依據(jù)管道及儀表流程圖、設(shè)備平面布置圖和相關(guān)專業(yè)的要求，用管道和管件將連接所有的設(shè)備。在管道布置設(shè)計(jì)過(guò)程中，除滿足工藝和布置專業(yè)的要求外，還需要綜合考慮管道設(shè)計(jì)的安全性及經(jīng)濟(jì)合理性，實(shí)現(xiàn)上述要求就需要對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析及柔性設(shè)計(jì)[1]。

1 管道應(yīng)力分析[2]

1.1 管道應(yīng)力分析的目的

對(duì)于管道應(yīng)力分析，其目的可以從以下幾個(gè)方面考慮：

(1)根據(jù)規(guī)范要求，確保管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，以保證管道系統(tǒng)的整體安全。

(2) 使動(dòng)設(shè)備和靜設(shè)備的管口載荷，符合設(shè)備制造商提供的載荷數(shù)據(jù)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，使其能夠長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行。

(3) 給結(jié)構(gòu)及各種支撐提供設(shè)計(jì)載荷。

(4) 確定管道熱位移和各種沖擊載荷引起的管道位移，以滿足管道平面布置要求。

(5)解決管道系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題：機(jī)械振動(dòng)、脈動(dòng)、安全閥排放等。

(6)為配管設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供支撐。

1.2 管道應(yīng)力分類

管道應(yīng)力，是指管道系統(tǒng)在受管內(nèi)介質(zhì)的壓力、溫度、重力和外部荷載風(fēng)、雪、地震等，以及管道的附加位移等多種載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力。雖然壓力管道的應(yīng)力分類在相關(guān)文獻(xiàn)中沒(méi)有明確規(guī)定，但在管道應(yīng)力分析的實(shí)際工作中，不同荷載類型引起的應(yīng)力可分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。

1.2.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是由持續(xù)荷載的作用產(chǎn)生的應(yīng)力。它隨著持續(xù)荷載的增加而增加，其特征是沒(méi)有自限性，并且破壞類型會(huì)導(dǎo)致塑性變形破壞，解決的方法是增加管道系統(tǒng)的剛性。持續(xù)荷載一般由力驅(qū)動(dòng)，主要包括壓力、重力、彈簧預(yù)緊力、冰雪及與外加荷載等。持續(xù)性荷載的主要特征是不會(huì)隨著結(jié)構(gòu)的變形而消失。持續(xù)荷載需要滿足靜力平衡條件，一旦平衡破壞，就會(huì)使材料發(fā)生屈服變形，該變形是不可逆轉(zhuǎn)的，最終，由屈服失效等引起的整體垮塌是最為嚴(yán)重的。偶然荷載如風(fēng)、地震等也屬于持續(xù)荷載。

1.2.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是由于位移荷載引起的應(yīng)力。它不需要與外力直接平衡，具有自限性，而破壞類型主要是疲勞破壞，解決方法是增加管道系統(tǒng)的柔性。位移載荷通常由位移驅(qū)動(dòng)，例如由溫差引起熱膨脹和冷縮、設(shè)備管口附加位移等；熱膨脹荷載的特性是自限性的，并隨著管道形狀的熱脹變形而消失，如果變形不能被吸收，將轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的局部屈服及二次應(yīng)力。熱脹荷載與疲勞密切相關(guān)；熱脹載荷的大小與管道長(zhǎng)度無(wú)關(guān)；失效形式為疲勞破壞；特別當(dāng)位移荷載很大時(shí)，管道系統(tǒng)無(wú)論通過(guò)怎樣的變化都無(wú)法使位移荷載的需求得到滿足時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致管道在一次加載中就被破壞。

由上面可以看出，由于一次應(yīng)力不具有自限性，它比二次應(yīng)力更危險(xiǎn)，所以應(yīng)該在應(yīng)力分析過(guò)程中得到限制。

2 管道柔性設(shè)計(jì)[3]

管道的柔性反映了管道系統(tǒng)變形難易的程度，反映了管道系統(tǒng)通過(guò)自身形狀的變化來(lái)吸收熱漲、冷縮以及其它附加位移變形的能力。

2.1 管道柔性設(shè)計(jì)的目的

管道柔性設(shè)計(jì)的目的是在設(shè)計(jì)條件(或者最苛刻操作條件)下使管道具有足夠的柔韌性，防止因管道設(shè)置安裝不當(dāng)?shù)?，從而?dǎo)致以下問(wèn)題：

(1)管道局部應(yīng)力過(guò)大、材料局部發(fā)生疲勞，使管道發(fā)生損壞；

(2)管道與設(shè)備管口接管處推力或力矩過(guò)大，導(dǎo)致設(shè)備管口易發(fā)生損壞；

(3)管道推力或扭矩過(guò)大，造成設(shè)置的支吊架損壞；

(4)管道法蘭連接處發(fā)生泄漏。

2.2 增加管道柔性設(shè)計(jì)的方法

為了增強(qiáng)管道的柔性，解決上述出現(xiàn)的問(wèn)題，主要方法有：通過(guò)改變管道的走向，選擇波形補(bǔ)償器、套管補(bǔ)償器或球形補(bǔ)償器，合理設(shè)置、選用彈簧支吊架。

在空間和支撐點(diǎn)條件允許的情況下，增加管道系統(tǒng)柔性的方法優(yōu)先考慮通過(guò)改變管道走向和選用彈簧支吊架。當(dāng)管道的固定點(diǎn)位置一定時(shí)，通常認(rèn)為增加管道的長(zhǎng)度可以增加管系的柔性；如果管道系統(tǒng)如果在任一方向上剛度都過(guò)大，管道的長(zhǎng)度可以考慮在與其垂直方向上增加，以增加管道的柔性。合理設(shè)置選用彈簧支吊架，不僅可以解決剛性支架不受力的問(wèn)題，而且可以使支撐點(diǎn)處有垂直位移，放松約束，增加管道的柔性。當(dāng)管徑較大、場(chǎng)地空間受限或者為了滿足工藝要求管道連接最短，會(huì)采用補(bǔ)償器。但是由于補(bǔ)償器價(jià)格較高、制造復(fù)雜，而且不適用于壓力較高的管道，補(bǔ)償器的安裝位置是管道系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量少用。

3 案例分析

輸入條件：某實(shí)驗(yàn)臺(tái)架項(xiàng)目，介質(zhì)為水，采用CAESAR II計(jì)算了兩臺(tái)離心泵進(jìn)出口管道的受力情況，輸入條件為：

管道材質(zhì)：A312 TP316；管道規(guī)格：φ168.3×16mm，φ139.7×14mm；操作溫度：320℃；操作壓力：18 MPa；設(shè)計(jì)溫度：350℃；設(shè)計(jì)壓力：20 MPa。

根據(jù)管道專業(yè)提供的ISO圖輸入建成的模型如圖1所示。

圖1 管道專業(yè)提供布置圖

Fig.1 Pipeline professional layout

經(jīng)計(jì)算分析，兩臺(tái)泵出入口的受力情況校核如表1：fa、fb、fc分別表示軸向應(yīng)力、豎向載荷、橫向載荷；ma、mb、mc分別表示扭矩、豎向彎矩、橫向彎矩；Forces Check、Moments Check分別表示和廠家提供載荷及力矩的比值。

泵1入口節(jié)點(diǎn)號(hào)460；泵2入口節(jié)點(diǎn)號(hào)880；泵1出口節(jié)點(diǎn)號(hào)540；泵2出口節(jié)點(diǎn)號(hào)920。

泵管口受力校核的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)泵廠家提供的載荷數(shù)據(jù)，最大受力情況不能超過(guò)提供數(shù)據(jù)的1.5倍。根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)泵1入口力矩超出限值，泵2入口受力超出限值，不滿足設(shè)備廠家提出的要求。

表1 泵出入口管口受力校核情況

根據(jù)輸入條件，泵出入口管道的壓力和溫度否很高，不能使用采用設(shè)置補(bǔ)償器的方式來(lái)改變管道柔性，只能采取通過(guò)改變管道走向和設(shè)置彈簧支吊架的形式，來(lái)增強(qiáng)管道柔性，改善管口受力情況。

最終的解決方案是改變泵入口管線的走向，并在入口管線310點(diǎn)及1513點(diǎn)設(shè)置彈簧支吊架；在出口管線1090點(diǎn)設(shè)置-X方向的止推支架。

泵管口受力校核的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)泵廠家提供的數(shù)據(jù)，最大受力情況不能超過(guò)提供數(shù)據(jù)的1.5倍。由計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有受力及力矩都在設(shè)備廠家允許的范圍內(nèi)。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的管道走向如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后管道布置圖

Fig.2 Optimized piping layout

根據(jù)優(yōu)化后的管道布置，計(jì)算所得泵管口受力情況如表2所示，符號(hào)表示的意義見(jiàn)前述。

泵1入口節(jié)點(diǎn)號(hào)460；泵2入口節(jié)點(diǎn)號(hào)880；泵1出口節(jié)點(diǎn)號(hào)540；泵2出口節(jié)點(diǎn)號(hào)920。

表2 優(yōu)化后泵出入口管口受力校核情況

根據(jù)CAESAR II的計(jì)算結(jié)果，不斷優(yōu)化管道布置。在整個(gè)離心泵出入口管道優(yōu)化的過(guò)程中，不僅解決了泵口受力不滿足廠家提供載荷的問(wèn)題，而且解決了原來(lái)管道剛性支架脫空的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，應(yīng)力分析是針對(duì)管道系統(tǒng)存在的受力情況進(jìn)行理論分析，分析結(jié)果為管道布置、設(shè)備布置、土建設(shè)計(jì)以及支吊架設(shè)置的安全性提供了理論參考。而管道柔性設(shè)計(jì)，則是在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備廠家及工程實(shí)際情況等限制性條件，采取合理改變管道走向、使用補(bǔ)償器、合理設(shè)置支吊架等技術(shù)手段進(jìn)行系統(tǒng)分析，使管道的柔性設(shè)計(jì)滿足相關(guān)要求，最終保證管道的安全性。CAESAR II是實(shí)現(xiàn)這一目的的工具，CAESAR II的使用使整個(gè)過(guò)程可視化、標(biāo)準(zhǔn)化，熟練準(zhǔn)確合理的運(yùn)用CAESAR II建立管道模型為管道系統(tǒng)的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。