布置型式對(duì)動(dòng)力管道異常大位移影響計(jì)算

鄧玲惠，王軍民，陳盛廣，程勇明，武彥飛，王必寧

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

目前在役動(dòng)力管道由于生產(chǎn)加工原因?qū)嶋H壁厚與標(biāo)準(zhǔn)壁厚間存在偏差[1]；且承受管道載荷的恒力支吊架因結(jié)構(gòu)及制造工藝的原因[2-3]，其實(shí)際輸出載荷與標(biāo)定載荷間也存在偏差。這些因素導(dǎo)致管道支吊架實(shí)際承載與設(shè)計(jì)載荷不匹配而發(fā)生載荷轉(zhuǎn)移，該載荷作用在管道上，部分管道會(huì)出現(xiàn)豎直方向熱位移受阻、下沉或水平方向跑位等異常大位移現(xiàn)象，嚴(yán)重偏離了管道設(shè)計(jì)狀態(tài)線。

目前對(duì)于管道產(chǎn)生異常大位移的研究主要是針對(duì)管道的布置型式、支吊架配置類型、管道壁厚和附件重量等因素的定性分析[4-7]，而對(duì)不同管道布置型式下，管道異常位移的有限元計(jì)算分析及研究較少。本文針對(duì)空間2固定點(diǎn)間不同布置型式的管道，對(duì)其在管道壁厚偏差及支吊架性能相同時(shí)冷、熱位移進(jìn)行計(jì)算分析，揭示動(dòng)力管道異常大位移的成因和機(jī)理，并提出管道異常大位移的解決方法。

1 計(jì)算模型與方法

本文以空間位置固定的兩端點(diǎn)，其間布置4段管段的管系為研究對(duì)象。為簡(jiǎn)化問題，假設(shè)兩端點(diǎn)A、B的坐標(biāo)為(0, 0, 0)與(3 000, -3 000, -3 000)，單位mm。4段管系在X、Y、Z3個(gè)方向均布置有管段，且同一方向上2段管段長(zhǎng)度的比值為1:3或1:1。采用管道應(yīng)力有限元分析軟件CAESARⅡ，按照DL/T5366—2014等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立所有4段管系的計(jì)算模型，管道應(yīng)力分析時(shí)的計(jì)算參數(shù)見表1。通過(guò)對(duì)管系位移、應(yīng)力及接口推力的計(jì)算分析[8-13]，兩端點(diǎn)間布置的空間4段管系共有31種（圖1），位移、應(yīng)力及接口推力相同的合并。對(duì)31種4段管系在豎直方向上的剛度進(jìn)行計(jì)算，得出各種管型的剛度值，具體如圖2所示，其范圍為461.0~8 064.5 N/mm。

表1 管道應(yīng)力計(jì)算主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of pipe stress calculation

圖1 兩固定空間點(diǎn)間31種管道布置型式的4段管系Fig.1 The four section pipeline with 31 pipe layouts between two fixed space points

圖2 31種管道布置型式的豎直方向剛度Fig.2 The vertical stiffness of 31 pipe layouts

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 不同布置型式管道的4種計(jì)算狀態(tài)

為掌握豎直方向剛度不同管道的力學(xué)特性，選取豎直方向剛度最小的管型1與豎直方向剛度最大的管型4，將這2種管型各管段長(zhǎng)度均增至原長(zhǎng)的4倍，為避免不同類型支吊架對(duì)管道豎直方向剛度影響，管道上僅布置恒力支吊架（圖3），管型1及管型4的計(jì)算模型如圖4所示。

圖3 管型1及管型4上支吊架布置方式Fig.3 The layout of supports and hangers on type 1 and type 4 pipe

圖4 管型1及管型4計(jì)算模型Fig.4 The analysis model of type 1 and type 4 pipe

根據(jù)《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》（GB/T5310—2017）規(guī)定[14]，管道允許的壁厚偏差為-10%S~+12.5%S，S為管道的壁厚。根據(jù)《火力發(fā)電廠管道支吊架驗(yàn)收規(guī)程》（DL/T 1113—2009）[15]，恒力支吊架的恒定度應(yīng)不大于6%。對(duì)管道分別設(shè)置表2中的4種計(jì)算狀態(tài)，分析研究其在豎直方向載荷影響下位移的變化。其中狀態(tài)1（理想狀態(tài)）是恒力支吊架恒定度為0，管道無(wú)壁厚偏差，常規(guī)動(dòng)力管道力學(xué)分析均依據(jù)該理想狀態(tài)計(jì)算。

表2 管道的計(jì)算狀態(tài)Tab.2 Calculation states of the pipeline

2.2 不同布置型式管道冷位移的變化

4種狀態(tài)下管型1與管型4各吊點(diǎn)X、Y、Z方向冷位移如圖5—圖7所示。由圖5—圖7可見，當(dāng)管道存在壁厚偏差時(shí)，管型1與管型4各吊點(diǎn)的冷位移沿X、Y、Z3個(gè)方向均發(fā)生明顯變化。當(dāng)管道壁厚偏差-10%時(shí)，管型1在X、Y、Z3個(gè)方向冷位移的最大變化值分別達(dá)到98、82、287 mm，而管型4的最大變化值僅為28、4、23 mm。當(dāng)管道壁厚偏差為12.5%時(shí)，管型1在X、Y、Z3個(gè)方向冷位移的最大變化值分別為87、72、252 mm，而管型4的最大變化值僅為24、3、20 mm。

圖5 4種狀態(tài)下管型1與管型4各吊點(diǎn)的X方向冷位移Fig.5 The X-direction cold displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

圖6 4種狀態(tài)下管型1與管型4各吊點(diǎn)的Y方向冷位移Fig.6 The Y-direction cold displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

圖7 4種狀態(tài)下管型1與管型4各吊點(diǎn)的Z方向冷位移Fig.7 The Z-direction cold displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

當(dāng)恒力支吊架存在6%的恒定度時(shí)，管型1與管型4各吊點(diǎn)的冷位移在X、Y、Z3個(gè)方向均發(fā)生明顯變化，其中管型1沿X方向冷位移的最大變化值達(dá)到46 mm，管型4僅為9 mm；管型1沿Y方向冷位移的最大變化值達(dá)到37 mm，管型4僅為1 mm；管型1沿Z方向的冷位移最大變化值達(dá)到128 mm，管型4僅為9 mm。

綜上所述，當(dāng)管道上設(shè)置的支吊架類型及性能相同時(shí)，不同管型上各吊點(diǎn)的冷位移對(duì)管道壁厚偏差及恒力支吊架恒定度的敏感度是不一樣的，管道豎直方向剛度越小，即管道豎直方向越柔軟，管道冷位移的變化量越大，反之越小。管重的變化及恒力支吊架恒定度直接影響了各吊點(diǎn)豎直方向（Z方向）位移變化，豎直方向位移變化再引起水平方向（X、Y方向）位移變化，水平方向位移的變化是適應(yīng)豎直方向位移變化的結(jié)果；即：雖然水平方向位移變化是因變量，但只要能對(duì)其進(jìn)行限制，也可以在一定程度上減小豎直方向位移的變化量。

2.3 不同布置型式管道熱位移的變化

4種狀態(tài)下管型1與管型4各吊點(diǎn)X、Y、Z方向熱位移如圖8—圖10所示。

圖8 4種狀態(tài)下管型1與管型4各吊點(diǎn)的X方向熱位移Fig.8 The X-direction hot displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

圖9 4種狀態(tài)下管型1與管型4各吊點(diǎn)的Y方向熱位移Fig.9 The Y-direction hot displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

圖10 4種狀態(tài)下管型1與管型4各吊點(diǎn)的Z方向熱位移Fig.10 The Z-direction hot displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

由圖8—圖10可見，當(dāng)管道有壁厚偏差時(shí)，管型1與管型4各吊點(diǎn)的熱位移沿X、Y、Z3個(gè)方向均未發(fā)生明顯變化。當(dāng)恒力支吊架有6%的恒定度時(shí)，管型1與管型4各吊點(diǎn)的熱位移沿X、Y、Z3個(gè)方向均發(fā)生了變化，其中管型1在X、Y、Z3個(gè)方向熱位移最大變化值為15、8、20 mm，而管型4的最大變化值僅為9、2、8 mm。

由此可見，不同布置型式管道，其上各吊點(diǎn)熱位移對(duì)恒力支吊架恒定度的敏感度不一樣，管道豎直方向剛度越小，管道熱位移變化量越大，反之越小，但管道壁厚偏差對(duì)管道熱位移基本無(wú)影響。

3 結(jié)論及建議

1）布置型式對(duì)管道在豎直方向的剛度影響較大，在管道支吊架實(shí)際承載與設(shè)計(jì)載荷不匹配而發(fā)生載荷轉(zhuǎn)移時(shí)，布置型式在豎直方向上剛度較小的管道易產(chǎn)生異常大位移。

2）不同布置型式的管道，其上各吊點(diǎn)的冷位移對(duì)管道壁厚偏差及恒力支吊架恒定度的敏感程度存在差異，管道越柔軟，管道冷位移的變化量越大。

3）不同布置型式的管道，其上各吊點(diǎn)的熱位移對(duì)管道壁厚偏差及恒力支吊架恒定度的敏感程度不一樣，當(dāng)管道上的恒力支吊架存在恒定度時(shí)，豎直方向剛度小的管道，熱位移的變化量越大；管道壁厚偏差對(duì)管道的熱位移基本無(wú)影響。

4）建議采用優(yōu)化管道布置形式的方式對(duì)易發(fā)生異常大位移的管道進(jìn)行布置改進(jìn)。選取豎直方向剛度大的布置型式，降低其對(duì)豎直方向載荷變化的敏感度，減少異常位移的幅度。同時(shí)，在管道及其支吊架的改造與日常維護(hù)中，采用尺寸偏差較小的管道，并選擇恒定度小、質(zhì)量?jī)?yōu)良的恒力支吊架，加強(qiáng)對(duì)管道及支吊架的檢查與監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

5）空間管道兩端點(diǎn)的位置可以是任意的，本文僅討論了其中的一種情況。但可以通過(guò)計(jì)算兩端點(diǎn)間布置的所有管型在豎直方向上的剛度值，根據(jù)不同管型間剛度值的相對(duì)大小，判斷其是否易于產(chǎn)生異常大位移。剛度小的管型相對(duì)剛度大的管型來(lái)說(shuō)，對(duì)管道上實(shí)際輸出載荷與標(biāo)定載荷間的載荷偏差會(huì)更敏感，發(fā)生異常大位移的可能性會(huì)更大。