管道熱分層計(jì)算評估方法研究

肖文宇

摘 要：管道的熱分層計(jì)算通常采用通用軟件 ANSYS 進(jìn)行分析。由于 ANSYS 軟件不具備按照規(guī)范對管道計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評定的功能，因此使用該程序進(jìn)行后處理的工作比較煩瑣。PIPESTRESS 程序是用于管道分析評定的專用程序。文中介紹了種基于PIPESTRESS的管道熱分層計(jì)算的評估方法，然后對PIPESTRESS程序和 ANSYS 程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了PIPESTRESS用于管道熱分層計(jì)算的有效性和可靠性。對管道應(yīng)力分析者采用PIPESTRESS軟件進(jìn)行管道熱分層計(jì)算具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：熱分層;管道評定;PIPESTRESS;ANSYS

中圖分類號：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）10-0165-02

0 引言

熱分層是由于在管道中相對滯止流體和來自其他泄漏源處一股緩慢流動的相對熱或冷流體缺少混合產(chǎn)生的。在電站正常或異常工況下，部分管道存在熱分層現(xiàn)象。在這些管道中來自冷段的流體，溫度低，密度高，占據(jù)管道截面的下部，而來自熱段的流體，溫度高，密度低，占據(jù)管道截面的上部。因此，管道的上面比管道的下面的溫度要高，膨脹得比較厲害。如果水平管道兩端簡支，會造成向上彎曲;如果水平管道一端固定，一端自由，會造成向下彎曲。這種現(xiàn)象可能會導(dǎo)致所在管道系統(tǒng)破裂，嚴(yán)重影響安全屏障的完整性。因此引起了包括美國核管會（NRC）在內(nèi)的世界核電界的廣泛關(guān)注。

在核電廠管道計(jì)算中需要考慮熱分層載荷，應(yīng)用通用有限元軟件ANSYS直接加溫度計(jì)算熱分層載荷時(shí)，由于ANSYS軟件不具備按照規(guī)范對管道計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評定的功能，因此使用該程序進(jìn)行后處理的工作比較煩瑣，工程應(yīng)用較為復(fù)雜。PIPESTRESS程序是用于管道分析評定的專用程序，它可以按照ASME規(guī)范的要求對管道分析結(jié)果進(jìn)行評定，從而減少管道評定的工作量，并便于進(jìn)行管道布置方案的修改。所以需要建立一種基于PIPESTRESS的管道熱分層計(jì)算評估方法。

本文建立了一種基于PIPESTRESS的管道熱分層計(jì)算的評估方法，根據(jù)簡支梁的彎曲理論，將溫度載荷轉(zhuǎn)化為彎矩施加在管道上，并將計(jì)算結(jié)果與有限元軟件ANSYS的熱分層計(jì)算結(jié)果對比，以驗(yàn)證這種計(jì)算方法對管道熱分層計(jì)算的正確性。

1 管道熱分層載荷的計(jì)算方法

1.1 PIPESTRESS通過彎矩間接加載

由ASME規(guī)范NB-3686[1]中簡支梁的彎曲理論為基礎(chǔ)，可以推導(dǎo)出由熱分層產(chǎn)生的彎矩的計(jì)算公式，根據(jù)管道的實(shí)際布置和溫度分布計(jì)算得到彎矩載荷并通過PIPESTRESS的MOMT卡，施加于管道計(jì)算模型，以考慮熱分層對管道應(yīng)力的影響。

1.2 ANSYS直接加載溫度載荷

ANSYS的PIPE16和PIPE18單元可直接定義不同區(qū)域的溫度，直接加載溫度載荷。

2 計(jì)算方法的驗(yàn)證

熱分層現(xiàn)象常發(fā)生在水平管段和傾斜角較小的傾斜管段，本文取直管單元、水平彎管單元和傾斜彎管單元這幾種有代表性的模型分別采用PIPESTRESS[2]和ANSYS[3]軟件計(jì)算熱分層產(chǎn)生的應(yīng)力結(jié)果，驗(yàn)證本文提出的彎矩加載方法的正確性。假設(shè)管道中段發(fā)生熱分層，傾斜管的管道斜度取每1000mm傾斜120mm。管道參數(shù)表1所示，結(jié)果對比表2～表4所示。

根據(jù)上述對比驗(yàn)證的結(jié)果，本文提出的通過彎矩間接加載熱分層載荷的方法與ANSYS計(jì)算結(jié)果吻合，適用于不同類型的管道。

3 結(jié)論

本文以簡支梁的彎曲理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出由熱分層產(chǎn)生的彎矩的計(jì)算公式，建立了一種基于PIPESTRESS的管道熱分層計(jì)算評估方法。同時(shí)將直管、水平彎管和傾斜彎管熱分層的計(jì)算結(jié)果與ANSYS計(jì)算結(jié)果對比，驗(yàn)證了這種計(jì)算方法對管道熱分層計(jì)算的可靠性。為工程實(shí)踐中快速評估管道熱分層的影響提供了一種有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section II， Subsection NB， NC， ND[S]. 2007 Edition up to and including 2008 Addenda.

[2] LIUR， FUZW， LITP. Application of Peps in Stress Analysis of Nuclear Piping[J]. Journal of Mathematics and Physics， 2013（1）：57-61.

[3] 李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.