復(fù)雜管道系統(tǒng)應(yīng)力分析中的支吊架布置設(shè)計(jì)

復(fù)雜管道系統(tǒng)應(yīng)力分析中的支吊架布置設(shè)計(jì)

近年來(lái)，我國(guó)核電站的快速發(fā)展對(duì)核電站的安全可靠性要求越來(lái)越高。管道系統(tǒng)在核電站中被廣泛使用。工程實(shí)際中,管道應(yīng)力分析是證明管道在承受與每類工況相關(guān)的載荷時(shí),均不發(fā)生某種形式失效的主要途徑之一管道支吊架是管道系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,它對(duì)管道起著承受荷載、限制位移和控制振動(dòng)等作用針對(duì)核電廠復(fù)雜管道應(yīng)力分析中支吊架位置的調(diào)整和功能選擇,以有限元分析為基礎(chǔ),采用專業(yè)的核電廠管道應(yīng)力分析軟件進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬計(jì)算,對(duì)支吊架進(jìn)行了布置設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)了管道應(yīng)力分析中支吊架布置設(shè)計(jì)的過(guò)程與方法,并以設(shè)計(jì)實(shí)例分析了復(fù)雜管道應(yīng)力分析中的支吊架布置設(shè)計(jì),驗(yàn)證了該方法的可靠性和有效性。1系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備連接起來(lái)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過(guò)程是:按照系統(tǒng)功能和流程圖的要求,利用管道和管件將各個(gè)設(shè)備連接起來(lái)1.1管道應(yīng)力分析管道產(chǎn)生應(yīng)力的因素是多方面的,主要有重力、壓力、壓力脈動(dòng)、地震、沖擊和熱膨脹等因素。其中,熱膨脹和地震載荷引起的管道應(yīng)力是管道應(yīng)力分析所要解決的最主要問(wèn)題。管道應(yīng)力分析的目的是為了證明管道在承受與每類工況相關(guān)的載荷時(shí),均不發(fā)生某種形式的失效。為了滿足這一要求,對(duì)于每一種載荷工況,應(yīng)遵守規(guī)定的準(zhǔn)則級(jí)別。1.1.1連吊架和重建結(jié)構(gòu)的作用(1)計(jì)算管道的應(yīng)力并使其滿足規(guī)范的要求,保證管道的自身安全;(2)計(jì)算管道對(duì)與其相連的設(shè)備、儀器的作用力,并使之滿足標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求,保證設(shè)備、儀器的安全;(3)計(jì)算管道對(duì)支吊架和土建結(jié)構(gòu)的作用力,為支吊架和土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù),保證支吊架和土建結(jié)構(gòu)的安全;(4)計(jì)算管道位移,防止位移過(guò)大造成支吊架脫落或管道碰撞,并為彈簧吊架的選用提供依據(jù)。1.1.2管道和管道的撞擊(1)管道的地震分析,防止管道在地震中發(fā)生破壞;(2)管道的撞機(jī)事件分析,防止管道在撞機(jī)事件中發(fā)生破壞;(3)風(fēng)雪沖擊和流體沖擊分析,防止管道在風(fēng)雪和流體沖擊載荷作用下發(fā)生破壞。1.2管道的運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜管道系統(tǒng)的應(yīng)力分析就是要證明管系在承受與各類工況相關(guān)的載荷時(shí),均不發(fā)生某種形式的失效。因此,正確地施加各類工況的載荷是關(guān)鍵一步。管道系統(tǒng)承受的載荷大致可分為以下四類(1)壓力載荷:可能在幾種不同壓力、溫度組合條件下運(yùn)行的管道,應(yīng)根據(jù)最不利的壓力溫度組合確定管道的計(jì)算壓力;(2)持續(xù)外載:包括管道自身載荷(管子及其附件的重量、管內(nèi)介質(zhì)重量、管外保溫的重量等)、支吊架的反力,以及其它集中和均布的持續(xù)外載;(3)熱脹和端點(diǎn)位移:管道由安裝狀態(tài)過(guò)渡到運(yùn)行狀態(tài),由于管內(nèi)介質(zhì)的溫度變化,管道產(chǎn)生熱脹冷縮使之變形;與設(shè)備相連接的管道,由于設(shè)備的溫度變化而出現(xiàn)端點(diǎn)位移,也使管道變形;(4)偶然性載荷:包括風(fēng)雪載荷、地震載荷、流體沖擊以及安全閥動(dòng)作而產(chǎn)生的沖擊載荷。1.3重視運(yùn)行工況的定義管道應(yīng)力分析過(guò)程中,很重要的一步就是確定載荷工況。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范確定載荷工況,目前核電廠管道應(yīng)力分析所使用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要有美國(guó)的ASME標(biāo)準(zhǔn)和法國(guó)的RCC-M規(guī)范。文中以RCC-M設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù),確定了載荷工況及每類工況所考慮的載荷第一類工況(參考工況):是指管道系統(tǒng)所處的一種狀態(tài),即它處于下面要定義的第二類工況所承受的最嚴(yán)重的載荷作用時(shí),由此而確定的不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。這類工況包括了設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及其它設(shè)計(jì)載荷。第二類工況(運(yùn)行工況一):是指管道系統(tǒng)在正常運(yùn)行期間可能遇到的一種狀態(tài)。包括穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況及啟動(dòng)瞬態(tài)、停運(yùn)瞬態(tài)、由正常運(yùn)行事件引起的瞬態(tài),例如:緊急停堆、給水泵和循環(huán)水泵停轉(zhuǎn)、廠外電源喪失、冷凝器真空喪失、控制系統(tǒng)設(shè)備失效等。主要考慮的載荷有:作用在部件上的壓力、熱作用及其它設(shè)計(jì)載荷。第三類工況(運(yùn)行工況二):是指管道系統(tǒng)在稀有事故情況下所處的一種狀態(tài)。此類工況很少發(fā)生,但在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮,這類工況通常也被稱為緊急工況。所考慮的載荷有:作用在部件上的最大壓力、自重、緊急機(jī)械載荷及其它持續(xù)載荷。第四類工況(運(yùn)行工況三):是指一種極不可能出現(xiàn)的狀況,但對(duì)于造成管道安全性的后果應(yīng)予以考慮、研究,不因此類工況出現(xiàn)的概率太小而不予考慮。這類工況下考慮的載荷有:作用在部件上的最大壓力、自重、其它持續(xù)載荷及事故載荷(如地震DBE或撞機(jī)APC)。試驗(yàn)工況:在規(guī)定水壓試驗(yàn)期間,設(shè)備(包括管道)所處的狀態(tài)。2管道支吊架和支吊架布置管道應(yīng)力分析中支吊架布置設(shè)計(jì)是指支吊架位置確定和功能選擇的設(shè)計(jì)。管道系統(tǒng)的布置包括管道空間走向設(shè)計(jì)和支吊架布置,其中支吊架布置是管道工程中重要的一部分,管道支吊架布置包括確定支吊架位置和支吊架功能選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)于簡(jiǎn)單的管道系統(tǒng)按管道布置導(dǎo)則設(shè)計(jì)即可滿足設(shè)計(jì)要求,但對(duì)于復(fù)雜管道系統(tǒng)則需要借助于有限元法進(jìn)行管道系統(tǒng)的應(yīng)力分析,根據(jù)計(jì)算結(jié)果不斷地調(diào)整支吊架設(shè)計(jì)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2.1吊架的分類及分類支吊架是承受管道載荷的主要構(gòu)件,按照其功能的不同,支架可以分成三大類型:導(dǎo)向支架、滑動(dòng)支架和限制支架;吊架可分為變力吊架、恒力吊架。它們的具體形式如表1所示。2.2支吊架位置的確定在工程實(shí)際中,支吊架的布置設(shè)計(jì)常按一定基本原則進(jìn)行,核電廠管道支吊架布置設(shè)計(jì)的總體原則是:(1)盡量應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)支吊架,有利于制造、安裝,降低成本;(2)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì);(3)重量要輕;(4)錨固支架盡量少;(5)安裝時(shí)減少焊接工作量;(6)所需空間要小;(7)便于施工和維修。在復(fù)雜的管道系統(tǒng)中,支吊架位置的確定與功能選擇主要受到下列因素影響:管道自身重力、閥門(mén)和組件的重力、管道熱膨脹、錨固點(diǎn)位移、內(nèi)部或外部激勵(lì)載荷、環(huán)境溫度及支吊架制造和安裝。支吊架布置設(shè)計(jì)的過(guò)程為:(1)根據(jù)管道的口徑、壁厚和在線組件的重量初步確定支吊架的位置和所約束的自由度數(shù);(2)計(jì)算在壓力和熱載荷作用下的管道系統(tǒng)變形,根據(jù)變形情況調(diào)整支吊架的位置和約束情況,即,通常是在熱脹位移小的位置布置支吊架和施加約束,在熱脹位移大的位置釋放約束;(3)計(jì)算在地震載荷、重力載荷、溫度載荷與壓力載荷共同作用下的管道系統(tǒng),在地震位移較大的位置布置支架和約束。重復(fù)計(jì)算,研究管道應(yīng)力、支架反力及特殊點(diǎn)的位移。如果管道系統(tǒng)應(yīng)力分析不能滿足規(guī)范要求,則需要對(duì)支吊架的位置和功能進(jìn)行局部調(diào)整。當(dāng)多次調(diào)整后仍不能滿足規(guī)范要求,則有必要修改管道走向,然后重復(fù)上述過(guò)程,直到滿足規(guī)范要求。3復(fù)雜管道應(yīng)力分析單元的數(shù)值模擬計(jì)算案例核電廠中,管道數(shù)量繁多且較復(fù)雜。文中以某核電廠某系統(tǒng)的一個(gè)管道應(yīng)力分析單元為例,以管道應(yīng)力計(jì)算的專業(yè)軟件為平臺(tái),采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,對(duì)復(fù)雜管道系統(tǒng)中支吊架進(jìn)行了布置設(shè)計(jì)3.1小管道系統(tǒng)的三維模型計(jì)算模型中的基本參數(shù):材料為不銹鋼TU42C,大管道公稱直徑700mm,管道壁厚12.5mm,總長(zhǎng)度約43m,保溫層的線密度為0.560N/mm;小管道公稱直徑400mm,管道壁厚8.0mm,總長(zhǎng)度約25m,保溫層的線密度為0.317N/mm;管內(nèi)流體均為水,計(jì)算溫度90℃,壓力為4bar,抗地震等級(jí)為2級(jí)。管道系統(tǒng)的三維模型如圖1所示。計(jì)算的有限元模型見(jiàn)圖2,共劃分134個(gè)單元,節(jié)點(diǎn)數(shù)為135。3.2支架位置的確定通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2～5和圖3。該模型中支吊架布置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于熱膨脹載荷和地震載荷作用下的支吊架布置和功能選擇。在熱脹載荷作用下,大管道和小管道的熱脹位移方向不一致,很容易使三通成為應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)。另一方面,由于大管道的豎直段較長(zhǎng),增加了考慮重力和地震載荷時(shí)的設(shè)計(jì)困難。以上兩個(gè)方面是在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的。從管道的走向和幾何尺寸,可以比較容易地確定支架1,2,3,4,11,12,13,15的功能類型為L(zhǎng)G由于支架4在靠近三通處,處于敏感區(qū),其位置需要在計(jì)算中不斷調(diào)整,其余幾個(gè)LG類型支架的位置都可以直接確定。確定以上支架以后進(jìn)行計(jì)算,輸出圖3中編號(hào)為5～10與14處的位移,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,3,同時(shí),得到支架3承受的重力載荷為163.3kN;支架4承受的地震載荷為223.5kN,該力來(lái)自大管上面水平段的地震沖擊。從表3可以看出,應(yīng)力比值遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求,沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)目的,需要設(shè)計(jì)其它支架。由于支架3承受的重力載荷太大,需要在編號(hào)5的位置設(shè)計(jì)一個(gè)支架,為了解決重力和熱脹的矛盾,將支架5設(shè)計(jì)成彈簧吊架。分析表2的計(jì)算結(jié)果,支架6設(shè)計(jì)為軸向和橫向約束,可以解決支架4地震力過(guò)大的問(wèn)題,支架7為承重支架;支架8處的水平地震位移很大,可將支架8設(shè)計(jì)為橫向約束;支架9處的水平熱脹位移較大,設(shè)計(jì)為承重支架;支架10處的水平熱脹位移小,地震位移大,設(shè)計(jì)為橫向約束支架;支架14處的軸向和豎直方向的位移較大,設(shè)計(jì)為軸約束和豎直約束的支架。支架6～10和14的設(shè)計(jì),很好地解決了大管道重力、熱脹和地震載荷之間的矛盾。計(jì)算的應(yīng)力比值和支吊架反力都滿