支吊架零部件重量及吊零方式对弹簧选型和管道应力分析的影响.pdf

文章编号:CN23-1249(2008)01-0073-05支吊架零部件重量及吊零方式对弹簧选型和管道应力分析的影响李国斌,张书俊,刘玉春(长沙优易软件开发有限公司,湖南 长沙410013)摘 要:本文通过大量的计算,分析了支吊架零部件重量及吊零方式对管道位移、载荷、应力、模态频率和弹簧型号的影响。结果表明,冷态吊零比热态吊零具有更小的OPE运行应力和SUS持续应力;一次应力计算获得的弹簧载荷整定值约比准确值低6%;使用两次应力计算可获得精确的弹簧整定值;一次计算加上支吊架零部件重量再重新计算弹簧也能获得比较准确的整定值。关键词:弹簧选型;热态吊零;冷态吊零;支吊架设计;管道应力分析;零部件重量中图分类号:TU4 文献标识码:BI nfluence of Hanger ComponentWeight and Load DesignMethod to Spri ng Selection and Pipe Stress AnalysisL i Guobin,Zhang Shujun,Liu Yuchun(UESoft Corp.,Changsha 410013,China)Abstract:The paper analyzes influence of hanger componentweight and load design method for pipenode movement,node restraint load,node code stress and pipe system modal frequency.The resultshow that there are lower stress of SUS case and OPE case by cold load design method than by hotload design method.Spring installation load calculated once by normalpipe stress analysis is s maller6%than its true value.Exact installation load may be recalcaulated by running pipe stress analysisroutine t wice.or adding componentweight.Key words:spring design;hot load design;cold load design;support design;pipe stress analysis;componentweight 收稿日期:2007-07-19 作者简介:李国斌(1965-),男,1988年毕业于华中科技大学热动专业,主要从事火力发电厂热机设计和三维工厂设计管理系统软件的开发研究管理工作。0 引 言支吊架是管道系统的重要组成部分,它们承受管道荷载、限制管道位移、控制管道振动1。随着大容量、高参数工艺设备的不断发展,各类工厂的管道尺寸相应增大,管道支吊架零部件重量也不断增加,而按照传统的管道设计流程,并未考虑支吊架零部件重量对支吊架弹性件选型及管道系统造成的影响2,以致大量弹簧或恒力弹簧安装时需要不断调整,使弹性件工作在非设计状态,严重者造成弹簧压并或提前失效,也使管道各支吊点工作载荷或安装载荷发生转移,引发支吊架 第1期锅 炉 制 造No.12008年1月BO I LERMANUFACTUR I NGJan.2008脱载或过载,从而引起管道应力增大造成裂纹或破损,严重威胁机组或设备安全。1 支吊架零部件重力模型使用常见的管道应力分析软件如CAESA2R II3 或AutoPSA4 可以计算出支吊点弹簧型号。当考察支吊架零部件重量对弹簧型号的影响时,使用ANSYS来分析管道与支吊架组成的整体结构系统,无疑是精确的。但从工程应用的角度看,在目前阶段这是不现实的,因为需要消耗大量的建模时间和分析时间。因此,需要寻求简化模型方案。按照传统的管道设计流程,首先进行管道布置,再对管道进行应力分析,应力分析满足要求以后,可以获得各支吊点的荷载、位移、应力和弹簧的型号,然后就开始进行管道支吊架设计。支吊架设计完成以后,支吊架零部件规格和重量都计算出来了。从静力分析的角度看,支吊架零部件重量可视为作用在约束节点的集中载荷,它对弹簧选型和应力分析都会产生影响,那么是否需要再次把这些重量加载到管系进行分析以获得更准确的结果呢?这样就引出了3种方法:第1种(简称常规法)是目前我们只进行一次应力分析的常规做法;第2种(简称2次法)是在做完一次应力计算之后,把计算出的支吊架零部件重量再次加载到管系重新计算一遍应力;第3种(简称重选弹簧法)是常规应力分析之后,把弹簧载荷加上支吊架零部件重量,再次人工选择一遍弹簧,由于人工计算支吊架零部件重量并再次选择弹簧是一个十分繁复的过程,我们借助支吊架设计软件AutoPHS5 来简化工作。2 例题分析下面我们主要对比三种方法在弹簧型号上的差异,并比较方法2和方法1在管道支吊节点位移、荷载、应力及管系模态频率上的差别。我们使用AutoPSA8.0和CAESAR II4.5作为主要的管道应力分析工具,而使用AutoPHS7.0计算支吊架零部件重量。本文对三个工程例题进行了分析。分析的方法是:对计算的管系,在某个节点处施加一个集中载荷F1模拟支吊架零部件重量,方向垂直向下。对其中弹簧节点分别采用热态吊零和冷态吊零选型。首先,在所有工况都不加集中载荷F1,如HGR热态无弹簧力工况1(W+D1+T1+P1)、HGR热态无弹簧力工况2(W+D1+T1+P1)、OPE运行工况(W+D1+T1+P1+H)、SUS持续载荷工况(W+P1+H),分析一遍;然后,在HGR(包括工况1、工况2)、OPE、SUS工况都加集中载荷F1,也分析一遍。考察加载F1和不加载F1时,热态OPE工况和冷态S US工况下位移、推力、应力、弹簧型号的变化,以及管系振动模态频率的变化。定义变化率=(不加F1/加F1-1)100%。第1个例题是一段热网管道,基本参数:管径=219 mm,温度450,压力3.82 MPa。共有12个节点,包括7个弹簧节点、3个普通约束点。为了模拟支吊架零部件重量载荷,在6号节点施加一个集中载荷F1=-10 000N(大约1t),方向垂直向下。选用的弹簧是西北电力设计院汽水管道支吊架设计手册ZH系列或中国电力系列弹簧。第2个例题是某电厂300MW级机组的再热蒸汽管道,共有39个节点,其中1号、7号、15号、19号、40号、41号共6个普通约束点,其余33个为弹簧节点。在每个弹簧节点处施加一个集中载荷F1(等于实际支吊架重量),方向垂直向下。选用的弹簧是国标T D系列弹簧或中国石化系列弹簧。第3个例题是100MW级机组的主蒸汽管道,共有20个节点,包括13个弹簧节点、3个管道端点:14、19、99。在10号节点施加一个集中载荷F1=-526 N(它等于实际支吊架重量),方向垂直向下。选用的弹簧是西北电力设计院汽水管道支吊架设计手册ZH系列或中国电力系列弹簧。例题1计算了一个超重(10kN)弹簧支吊架零部件重量,例题3计算了一个弹簧支吊架实际零部件重量,而例题2计算了所有弹簧节点的实际零部件重量,例题2具有普遍意义。对3个例题计算结果所作的对比分析,可看出下面的特点:2.1 热态吊零分析当加载支吊架零部件重量(以下简称重量)之前和之后,对于热态吊零,1,OPE工况节点位移不变;可见重量对OPE位移无影响。数据详见附件热态吊零结论.xls工作表OPE位移。2,OPE工况节点应力不变;可见重量对OPE应力无影响。数据详见附件热态吊零结论.xls工作表OPE应力。3,OPE工况除有重量的节点外支座反力不47锅 炉 制 造 总第207期 变;有重量的节点加载F1之后荷载增加,增加值正好等于施加的集中载荷F1值,即重量值;变化率与该点载荷及重量有关,一般为28%,平均值为5.6%。其中有几个支吊点之间跨距很不均匀,导致载荷很小,如28节点载荷原来只有2 594N,该点变化率甚至高达32%。4,SUS工况节点位移略有增加,但增加值一般不大,最大增加不超过5.3 mm,位移平均增加值为0.8 mm,方向向下;可见重量对SUS位移影响不大。数据详见附件热态吊零结论.xls工作表SUS位移。5,SUS工况除重量节点外,支座反力增加都比较小,例题1一般节点载荷超过1000N的点相对变化率在9%以下,个别节点因载荷分配不均,相对变化率可达33%;考虑重量的弹簧节点,荷载增加值与施加的集中载荷F1相等或非常接近,若定义相对误差=(荷载增加值/集中载荷F1-1)x100%,则相对误差一般为28%,平均值为5.2%。数据详见附件热态吊零结论.xls工作表SUS载荷。6,SUS工况应力变化很小,绝大部分节点应力增加在1.5%以下,只有例题2节点4应力增加达到8.17%,一般为13%,平均值为1.9%;可见重量对SUS应力影响不大。数据详见附件热态吊零结论.xls工作表SUS应力。7,弹簧型号的变化:例题1节点6因为重量太大,弹簧型号从ZH108改变到ZH112,且载荷参数变化;其它6个节点没有加载F1,弹簧型号、载荷参数不变。可见重量对其他弹簧节点规格无影响。我们特别关注例题2,因为它是按实际管系支吊架重量处理的。在例题2中,33个弹簧节点只有4号、24号从恒力弹簧变成TD120,17号从TD90变成TD120,27号从TD120变成TD90,其它28个吊点弹簧规格均未改变。弹簧的选型热位移均不变,弹簧的工作载荷或安装载荷有变化,改变值正好等于加载的集中力F1,因为F1一般比节点载荷小得多,故一般不至于引起弹簧型号的变化。可见重量对弹簧规格影响不大。尽管弹簧热位移不变,型号一般也不改变,但弹簧要承受零部件重量,载荷增加一个重量值,导致弹簧工作载荷、安装载荷变化,平均值约为6%,一般不超过10%,个别最大有达到47%的,因此弹簧工作点改变。可见,如果不考虑零部件重量计算出来的弹簧,弹簧现场安装时必须进行调整,调整载荷量理论上一般为支吊架零部件重量值,即大约6%。8,自然振动模态频率:例题2中,在加载F1前后,管系自振模态1阶频率均为0.282Hz,2阶从0.641Hz增加到0.643Hz,3阶从0.807Hz增加到0.808Hz,变化非常微弱。这主要是弹簧型号基本没有变化,因而弹簧刚度变化很少,故自振频率也变化很小。注意,这里把支吊架零部件重量作为集中力考虑,忽略了零部件质量分布对模态频率的影响。2.2 冷态吊零分析当加载支吊架零部件重量(以下简称重量)之前和之后,对于冷态吊零,1,SUS工况节点位移增加很少,一般增加值在1 mm以内,少数增加值超过1 mm但最大不超过5 mm,平均位移增加值约为0.7 mm,方向向下;可见冷态吊零下重量对SUS位移影响很小。2,SUS工况节点应力增加很少,应力变化幅度例题2最大不超过6.39%,平均增加值低于1.8%;例题1最大不超过0.3%;可见冷态吊零下重量对SUS应力影响很小。3,SUS工况除重量节点外,支座反力变化都比较小,一般节点载荷超过1000N的点相对变化率在9%以下,个别节点因载荷分配不均,相对变化率可达479%;考虑重量的弹簧节点,荷载增加值与施加的集中载荷F1相等或非常接近,若定义相对误差=(荷载增加值/集中载荷F1-1)x100%,则相对误差一般为2-8%,平均值为5.7%。4,OPE工况节点位移一般略有增加,个别略有减少,例题2变化幅度最大不超过0.8%,平均变化幅度为0.03%,平均改变=0.01 mm;可见冷态吊零下实际重量对OPE位移基本无影响。例题1节点6因为加载重量太大达到10 kN,致使位移从5.593 mm减少到2.083 mm。5,OPE工况节点应力基本不变,应力变化幅度例题2最大不超过0.5%,平均变化幅度为0.03%;例题1绝大部分节点变化在1.5%以下,只有节点12应力变化达到2.9%;可见冷态吊零下重量对OPE应力影响很小。6,OPE工况除重量节点外,支座反力增加都比较小,一般节点载荷超过1000N的点相对变化率在9%以下,个别节点因载荷分配不均,相对变化率可达95%;考虑重量的弹簧节点,荷载增加值与施加的集中载荷F1相等或非常接近,相对误57 第1期 李国斌,等:支吊架零部件重量及吊零方式对弹簧选型和管道应力分析的影响差一般在1-9%之间,平均值为5.1%。7,弹簧型号的变化:冷态吊零选择的弹簧表其变化规律与热态吊零相同。8,自然振动模态频率:改变微弱,相对改变值0.3%。3 理论解释1)AutoPSA和CAESAR II选弹簧,无论热态吊零或冷态吊零,采用的都是热位移Disp,即2工况得到的位移。不同的是,针对热态吊零,1工况得到工作载荷WorkLoad,然后结合2工况位移Disp从弹簧表中选出符合条件的弹簧,刚度为K;针对冷态吊零,1工况得到安装载荷Fix2Load,仍是结合2工况位移Disp选出符合条件的弹簧。两种选择方法,都要满足FixLoad=Work2Load+K3Disp。2)AutoPSA和CAESAR II选弹簧是一个先假定后选择的过程,当采用热态吊零时,认为在工作状态时弹簧仅起到支撑管道重力的作用,没有附加力,相应在安装状态就存在弹簧附加力;同理,当采用冷态吊零时,情况正好相反。3)无论何种选弹簧方式,热位移Disp均是指热态的位置-冷态的位置,也就是安装状态(冷态)与工作状态(热态)的距离;而实际上热位移Disp是假定没有弹簧支撑计算得到的(弹簧力与重力平衡,可以同时取消),所以在弹簧节点处施加集中力模拟支吊架零部件重量,不会影响弹簧选型热位移!4)工况1计算分配载荷时,是按吊零或给定荷载方式处理的。由于支吊架零部件被模拟为施加在弹簧节点的集中力F1,因此在任何情况载荷分配时,它被该节点的弹簧力平衡,故该节点吊零状态载荷只增加了F1。5)由于重量与节点载荷相比很小,一般在5%以下,而节点位移Disp不变,故弹簧型号一般不变化。4 热态吊零与冷态吊零的对比工程界对热态吊零和冷态吊零的作用有不同看法,文献2 认为热态吊零对管道运行状态比较有利,文献1 认为冷态吊零便于安装,比较合适。华东电力设计院陈耀兴高工曾经研究过冷态吊零的静力计算结果,发现各节点应力与热态吊零相比有的增大,有的减小。我们的计算结果继续支持这一发现,并且在例题2中,使用冷态吊零,与热态吊零相比,无论是OPE工况,还是SUS工况,无论是加载F1或者不加载F1,平均应力总是下降的,这实际上说明冷态吊零总是减少应力的,于是可以认为冷态吊零总是有利的。例题2计算数据到底是一个偶然的结果还是一个必然的规律,需要今后进一步地研究。5 推荐做法根据上面对3个例题计算结果的分析,可以看出,实际管系的支吊架零部件重量效应对弹簧型号、管道应力及管系振动特性的影响并不大,一般不会造成弹簧型号的改变,但会造成弹簧载荷的改变从而引起工作点的变化,必然造成安装弹簧时的载荷调整,常规的只进行一次应力计算的方法虽已具备相当的精度,但无法求出弹簧的精确工作点和安装点;而且在某些跨距很不均匀的吊点和一些特殊的弹簧荷载、位移边界点,零部件重量效应容易造成弹簧型号的变化,可能使弹簧型号变大,也可能使弹簧型号变小,可能使恒力弹簧变成弹簧,也可能使弹簧变成恒力弹簧,依赖于具体的管系结构和约束。更精确的分析,需要把支吊架零部件重量作为集中载荷加到管系上进行第2次应力计算。理论上说,支吊架零部件重量效应必然产生改变弹簧载荷的问题,且有使弹簧型号增大的倾向。为了减少2次应力计算的繁琐过程而又能求出比较准确的弹簧整定值,简化的办法,可以手工把节点的工作载荷或安装载荷加上支吊架零部件重量再次计算弹簧型号,或者使用支吊架设计软件AutoPHS7.0提供的选项“加零部件重量到弹簧计算荷载”,自动重新计算弹簧规格及其整定值。6 结 论使用AutoPSA和CAESAR II管道应力分析软件对比计算了三个例题的支吊架零部件重量效应,分析了支吊架零部件重量在热态吊零和冷态吊零情况下对弹簧选型、管道应力、位移、节点荷载、管系模态频率的影响。通过本文的研究,我们不难得出以下结论。1)支吊架零部件重量效应不会改变弹簧选型热位移。下转第80页67锅 炉 制 造 总第207期 在实际设计工程中,特别是多回路上采用绝缘导线可以进一步紧缩线间距离,把线路走廊压缩到最小。3 结 论1)10 KV与20 KV的线间距与档距的关系比较接近,因此,10 KV规程中的推荐值同样适用20 KV线路。2)新建20 KV架空线路最小水平距离不宜小于0.7 m。3)在实际设计工程中,特别是多回路上采用绝缘导线可以进一步紧缩线间距离,线路走廊可以压缩到最小。参考文献1 余建平,蔡 钧,施凌鹏.上海实施电力架空线入地的难点及对策J.华东电力,2005,33(4):41-43.2 史伟明.城网架空线路改进的探索J.大众科技,2006,91(5):65-66.3R.K.Aggar wal,A.T.Johns,J.A.S.B.Jayasinghe.An o2verview of the conditionmonitoringof overhead linesJ.Electric Power Systems Research,2000(53):15-224Y.Eguchi,N.Kikuchi,K.Kawabata.Drag reductionmechanism and aerodynamic characteristics of a newlydeveloped overhead electric wire J.Journal of W indEngineering and Industrial Aerodynamics,2002(90):293-304.5 S.J.Gusavac,M.D.Nimrihter,Lj.R.Geric.Estima2tion of overhead line condition J.Electric PowerSystems Research,2007(160):307-328.6 张 旗,张 玲.架空线防振锤设计中的几个问题J.电力学报,2005,20(2):169-171.7 张殿生.电力工程高压送电线路设计手册M.中国电力出版社.(编 辑:韩基文)上接第76页2)重量使弹簧载荷增加,从而改变弹簧整定值,变化率平均约6%,增加值等于或非常接近于该节点零部件重量值,相对误差1%。3)重量一般不会改变弹簧型号;个别载荷分配不均节点可能增大型号,也可能减小型号。4)重量使吊零状态下的节点位移、应力增加很小,一般相对增加值小于1.5%。5)重量使节点的载荷增加,变化率平均约6%,增加值等于或非常接近于重量值,偏差1%。6)不改变管系振动特性,一般管系振动模态频率增加 0.3%(忽略了支吊架零部件质量分布的影响)。7)冷态吊零一般可使管道应力降低,可降低SUS应力0.04-0.22%,降低OPE应力0.69-0.65%,而且显然更方便安装。对于具体的工程应用,我们有如下的建议。1)只进行一次应力计算的常规做法对于应力、位移、弹簧型号虽有相当的工程精度,但计算的弹簧整定载荷,一般比准确值偏小6%左右,必然造成弹簧安装时的载荷重新调整;2)更精确的分析,需要把支吊架零部件重量作为集中载荷加到管系上进行第2次应力计算;3)为了避免计算两次应力的繁琐过程而又计算出比较准确的弹簧整定载荷,也可以人工把管系支吊架节点的工作载荷或安装载荷加上支吊架零部件重量,再次计算弹簧规格和整定值;或者使用支吊架设计软件AutoPHS7.0提供的选项“加零部件重量到弹簧计算荷载”,自动重新计算弹簧参数。4)需要开发管道应力分析软件AutoPSA或CAESAR II与管道设计软件AutoPDS、管道支吊架设计软件AutoPHS之间的双向接口,以简化支吊架设计和应力分析之间的交互过程,实现随时的高效的精确的弹簧整定值设计。5)推荐采用冷态吊零选择弹簧。参考文献1 林其略、周美芳编著.管道支吊技术.上海科学技术出版社,1994.2 王致祥,梁志钊等.管道应力分析与计算M.北京:水利电力出版社,1983.3 唐永进.压力管道应力分析M.北京:中国石化出版社,2003.4 长沙优易软件开发有限公司CAE部.优易管道应力分析软件AutoPSA7.0用户指南M.长沙:长沙优易软件开发有限公司,2006.5 长沙优易软件开发有限公司CAE部.优易管道支吊架设计软件AutoPHS7.0用户指南M.长沙:长沙优易软件开发有限公司, D=41&I D=3010&page=1(编 辑:韩基文)08锅 炉 制 造 总第207期