复杂管道应力分析中的支吊架布置方法.pdf

复杂管道应力分析中的支吊架布置方法 陈敏。张周红(中广核工程设计有 限公司，广东 深圳5 1 8 O 4 5)摘要：针对核电厂复杂管道系统应力分析中支吊架布置设计，基于有限元分析，以管道应力分析的 专业计算软件为平台，对其进行了大量的数值模拟计算。总结了管道应力分析中支吊架布置过程 和方法，并以设计实例验证 了该方法的可靠性和有效性。关键词：核 电厂；复杂管道；应 力分析；支吊架；布置方法 中图分 类号：T L 4 8 文献标识码：A 文章 编号：1 o 0 1 4 8 3 7(2 0 0 9)o 3 0 o 2 1一 O 5 d o i：1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 o 14 8 3 7 2 0 0 9 O 3 O 0 5 S t u d y 0 n S u p p 0 r t a n d Ha n g e r La y 0 u t 0 f C0 m p l e x Pi pi n g St r e s s Ana l y s i s CHEN M i n，ZHANG Zh O uh o n g (C h i n a N u c l e a r P o w e r D e s i g n C 0 m p a n y，S h e n z h e n 5 l 8 0 4 5，C h i n a)Abs t r a c t：Th e f i n i t ee l e me n t me t h 0 d i s a d 0 p t e d i n pi pi ng s y s t e m n u me r i c a l c a l c u l a t i o n wi t h s p e c i a l s o f t w a r e 0 f p i p i n g s t r e s s a n a l y s i s U s i n g t h i s me t h 0 d，t h e s u p p o r t a n d h a n g e r l a y o u t i s d e s i g n e d i n c o mp l e x p i p i n g s t r e s s a n a l y s i s T h e p I 0 c e s s a n d me t h o d a I le g e n e r a l i z e d F i n a l l y，a n e x a mp l e o f t h e s u p p 0 r t a n d h a n g e r l a y o u t d e s 培n i s g i v e n t 0 v e r i f y t h e me t h 0 d f e a s i b i l i t y a n d V a l i d i t y 1(e y wo r d s：n u e l e a r p o we r p l a n t；c 0 mp 1 e x p i pi n g；s t I e s s a na l y s i s；s u pp o r t a n d ha n g e r；l a y o u t me t h o d 近年来，我国核电事业的高速发展，对核电厂安 全可靠性要求越来越高，管道系统在核电厂中被大 量使用。工程实际 中，管道应力分析是证 明管道在 承受与每类工况相关的载荷 时，均不发生某种形式 失效的主要 途径之一。管道 系统一般 由主管线 和支管线组成，因而管道的空间走向和受载情况十 分复杂，致使管道应力分析十分复杂 J。管道支 吊架是管 道系统 中的一个 重要 组成部 分，它对管道起着承受荷载、限制位移和控制振动 等作用 J。设计 中，合理布置和正确选择支 吊架功 能，是减小管道应力 和支 吊架载荷 的有效途径。管 道系统的支吊架布置常分为两种情况：对于较简单、较规则的管道系统，常按照“管道布置导则”直接进 行布置设计，就可以达到设计要求；但对于复杂管道 系统则需要基于数值模拟计算，并不断地修改支吊 架设计才能满足设计要求。针对核电厂复杂管道应力分析中支吊架位置的 调整和功能选择，以有限元分析为基础，采用专业的 核电厂管道应力分析软件进行了大量 的数值模拟计 算，对支 吊架进行 了布置设计。总结 了管道应力分 析中支吊架布置设计的过程与方法，并以设计实例 分析 了复杂管道应力分析 中的支 吊架布置设计，验 证了该方法的可靠性和有效性。l 管道应力分析概述 复杂管道应力分析中的支吊架布置方法 V o l 2 6 N 0 3 2 o o 9 管道系统设计 的基本过程是：按照系统功能和 流程图的要求，利用管道和管件将各个设备连接起 来。在核电厂管道 系统设计过程 中，除 了满足管 道和设备的空间布置要求外，还应使管道系统的设 计既安全可靠又经济合理，通过管道应力分析可以 有效地实现这一 目标。1 1 管道应力分析 的任务 管道产生应力的因素是多方面的，主要有重力、压力、压力脉动、地震、冲击和热膨胀等因素。其中，热膨胀和地震载荷引起的管道应力是管道应力分析 所要解决的最主要问题。管道应力分析的 目的是为了证明管道在承受与 每类工况相关的载荷时，均不发生某种形式的失效。为了满足这一要求，对于每一种载荷工况，应遵守规 定的准则级别。1 1 1 管道静力分析的任务(1)计算管道的应力并使其满足规范的要求，保证管道的自身安全；(2)计算管道对与其相连的设备、仪器的作用 力，并使之满足标准、规范的要求，保证设备、仪器的 安全；(3)计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架和土建结构的设计提供依据，保证支吊架 和土建结构的安全；(4)计算管道位移，防止位移过大造成支 吊架 脱落或管道碰撞，并为弹簧吊架 的选用提供依据。1 1 2 管道动力分析的任务(1)管道 的地震分析，防止管道在地震 中发生 破坏；(2)管道 的撞机事件分析，防止管道在撞机 事 件中发生破坏；(3)风雪冲击 和流体 冲击分 析，防止管道在风 雪和流体冲击载荷作用下发生破坏。1 2 管道载荷的分类 复杂管道系统的应力分析就是要证明管系在承 受与各类工况相关 的载荷时，均不发生某种形式 的 失效。因此，正确地施加各类工况 的载荷是关键一 步。管道系统承受的载荷大致可分为以下四类 J：(1)压力载荷：可能在几种不同压力、温度组合 条件下运行的管道，应根据最不利的压力温度组合 确定管道的计算压力；(2)持续外载：包括管道 自身载荷(管子及其 附件的重量、管 内介质重量、管外保温的重量等)、支吊架的反力，以及其它集中和均布的持续外载；(3)热胀和端点位移：管道 由安装状态过渡到 运行状态，由于管内介质的温度变化，管道产生热胀 冷缩使之变形；与设备相连接的管道，由于设备的温 度变化而 出现端点位移，也使管道变形；(4)偶然性载荷：包括风雪载荷、地震 载荷、流 体冲击以及安全阀动作而产生的冲击载荷。1 3 载荷工况 管道应力分析过程中，很重要的一步就是确定 载荷工况。根据设计标准和规范确定载荷工况，目 前核电厂管道应力分析所使用的标准和规范主要有 美 国的 A S ME标准和法国的 R C CM 规范。文 中 以 R C cM设计规范为依据，确定 了载荷工况及每 类工况所考虑的载荷 j。第一类工况(参考工况)：是指管道系统所处的 一种状态，即它处于下面要定义的第二类工况所承 受的最严重的载荷作用时，由此而确定 的不随时间 变化的状态。这类工况包括了设计压力、设计温度 及其它设计载荷。第二类工况(运行工况一)：是指管道系统在正 常运行期间可能遇到的一种状态。包括稳态运行工 况及启动瞬态、停运瞬态、由正常运行事件引起的瞬 态，例如：紧急停堆、给水泵和循环水泵停转、厂外电 源丧失、冷凝器真空丧失、控制系统设备失效等。主 要考虑的载荷有：作用在部件上的压力、热作用及其 它设计载荷。第三类 工况(运行工况二)：是指管道 系统在稀 有事故情况 下所处 的一种状态。此类工况很少 发 生，但在设计时必须考虑，这类工况通常也被称为紧 急工况。所考虑的载荷有：作用在部件上 的最大压 力、自重、紧急机械载荷及其它持续载荷。第 四类工况(运行工况三)：是指一种极不可能 出现的状况，但对于造成管道安全性 的后果应予 以 考虑、研究，不因此类工况 出现的概率太小而不予考 虑。这类工况下考虑的载荷有：作用在部件上的最 大压 力、自重、其 它持续 载荷及事故 载荷(如地震 D B E或撞机 A P C)。试验工况：在规定水压试验期间，设备(包括管 道)所处的状态。2 支 吊架简介 第 2 6卷第3期 压 力 容 器 总第 1 9 6期 管道应力分析 中支 吊架布置设计是指支 吊架位 置确定和功能选择的设计。管道系统 的布置包括管 道空间走向设计和支 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 吊架布置包括确 定支吊架位置和支 吊架功能选择。在设计 过程 中，对于简单的管道系统按管道布置导则设计即可满足 设计要求，但对于复杂管道 系统则需要借助于有 限 元法进行管道系统 的应力分析，根据计 算结果不 断 地调整支吊架设计才能达到设计要求。2 1 支 吊架功 能类 型 支 吊架是承受管道载荷 的主要构件，按照其功 能的不同，支架可 以分成三大类型：导 向支架、滑动 支架和限制支架；吊架可分为变力 吊架、恒力 吊架。它们 的具体形式如表 1所示。2 2支 吊架 布置设 计基 本 原理 在工程实际 中，支吊架 的布置设计 常按一定基 本原则进行，核 电厂管道支 吊架布置设计 的总体原 则是：(1)尽量应用标准支吊架，有利于制造、安装，降低成本；(2)简化设计；(3)重量要轻；(4)锚固支 架尽量少；(5)安装时减少焊接工作量；(6)所需 空 间要小；(7)便于施工和维修。在复杂的管道系统 中，支 吊架位置 的确定与功 能选择主要受到下列因素影响：管道自身重力、阀门 和组件的重力、管道热膨胀、锚 固点位移、内部或外 部激励载荷、环境温度及支吊架制造和安装。支 吊架布置设计 的过 程为：(1)根据管道 的 口 径、壁厚和在线组件的重量初步确定支 吊架 的位置 和所约束的自由度数；(2)计算在压力和热载荷作 用下的管道系统变形，根据变形情况调整支 吊架的 位置和约束情况，即，通常是在热胀位移小的位置布 置支吊架和施加约束，在热胀位移大的位置释放约 束；(3)计算在地震载荷、重力载荷、温度载荷与压 力载荷共同作用下的管道系统，在地震位移较大的 位置布置支架和约束。重复计算，研究管道应力、支 架反力及特殊点 的位移。如果管道系统应力分析不 能满足规范要求，则需要对支吊架的位置和功能进 行局部调整。当多次调整后仍不能满足规范要求，则有必要修改管道走 向，然后重复上述过程，直到满 足规范要求。3 支 吊架布置设计实例 核电厂中，管道数量繁多且较复杂。文中以某 表 1 支 吊架类型与约束 支吊架功能 约束的自由度 描述 符号 注释 W 水平管 H H 1 刚性吊架 水 平管 s H 1 弹簧吊架 水平管 C H 1 恒力吊架 水平管斜 A H 1 弹簧吊架 竖直管 一1 I 刚性 吊架 竖直管 S 1 弹簧吊架 竖直管 C 1 恒力吊架 竖直管斜角 1 弹簧吊架 管道滑动 P s I I 1 支吊架 轴 向导 向 G 1 1 支架 三向约束 士1 1 1 支架 部分锚固 P P 不同约束的 支架 各种组合 锚 固支架 F P 土1 1 1 1 1 1 轴向约束 尺 1 支架 单向约束 1 支架(v)单 向约束 R 1 支架(w)管道两侧约 D I 1 I 束支架(v)管道两侧约 D I I 1 束支架(w)防甩支架 f 1 (u)防甩支架 1 (v)防甩支架 1 (w)注：I：对静载 荷 考虑 摩擦 力：F=(F )，摩擦 系数=o 3；：对 静载 荷考 虑 摩 擦力：F=v 巧 ，摩 擦系 数 =O 3；：用耳扁连接；：用刚性杆连接。复杂管道应力分析中的支吊架布置方法 V o l 2 6 N o 3 2 0 0 9 核电厂某系统的一个管道应力分析单元为例，以管 道应力计算的专业软件为平台，采用有限元方法进 行数值模拟计算，对复杂管道系统中支吊架进行了 布置设计。3 1 计算模 型 计算 模 型 中 的基 本 参 数：材 料 为 不 锈 钢 T u 4 2 C，大管道公 称直径 7 0 0 m m，管道 壁厚 1 2 5 m m，总长度约 4 3 m，保 温层 的线密度为 0 5 6 0 N mm；小管道公称直径 4 o 0 m m，管道壁厚 8 0 m m，总 长度约 2 5 m，保温层的线密度为 0 3 1 7 N m m；管 内 流体均为水，计算温度 9 0，压力 为 4 b a r，抗地震 等级为 2级。管道系统的三维模型如图 l所示。计 算 的有限元模型见图 2，共划分 1 3 4个单元，节点数 为 1 3 5。图1 管道三维模型 图 2管道有 限兀模 型 3 2 计算结果与分析 通过数值模拟计算，设计结果见表2 5和图 3。该模 型中支吊架布置设计 的难点在于热膨胀载 荷和地震载荷作用下 的支 吊架布置和功能选择。在 热胀载荷作用下，大管道和小管道的热胀位移方 向 2 4 不一致，很容易使三通成为应力危险点。另一方面，由于大管道的竖直段较长，增加 了考虑重力 和地震 载荷时的设计困难。以上两个方面是在设计中重点 关注的。表 2 所关注点的位移 位移(m m)关注点编号 载荷(见图 3)热膨胀 一 4 3 6 1 9 7 5 地震 3 0 0 5 9 4 2 7 5 热膨胀 一 4 9 6 1 9 2 6 地震 3 0 0 6 6 5 3 3 1 热膨胀 一 7 5 6 1 6 8 7 地震 3 0 0 1 0 0 7 6 0 5 热膨胀 一 9 0 6 1 5 4 8 地震 3 0 0 l 2 O 1 7 6 5 热膨胀 3 6 9 6 5 6 9 地震 1 4 0 3 3 9 9 6 0 6 热膨胀 3 9 一 O 3 3 3 1 0 地震 5 5 6 8 2 2 3 1 热膨胀 2 3 3 2 0 6 1 4 地震 2 8 4 4 3 7 4 表 3 最大应力比值 评定公式 管段号 节点号 单元号 应力比值 1 8 3 3 6 2 47 公式(6)一L E V E L 0 2 2 0 l 8 l 05 5 1 8 3 3 6 21 5 公式(7)一L E V E L A 2 2 0 9 8 6 04 1 8 3 3 6 6 4 9 公式(1 0)一L E V E L B 2 2 0 9 8 6 15 8 l 83 3 6 5 4 7 公式(1 0)一 L E V E L D 2 2 0 9 8 6 13 7 表 4 最大应力比值 评定 公式 管段号 节点号 单元号 应力比值 1 8 3 3 6 0 4 8 公式(6)一L E V E L 0 2 2 0 1 8 1 O1 3 1 8 3 3 5 0 8 5 公 式(7)一L E V E L A 2 2 5 5 1 0 8 02 3 l 8 3 36 0 8 5 公式(1 0)一 L E V E L B 2 2 2 1 8 9 04 2 1 8 3 3 6 0 6 6 公式(1 0)一L E V E L D 2 2 2 l 8 9 03 8 从管道 的走 向和几何尺寸，可 以比较容易地确 定支架 1，2，3，4，1 l，1 2，1 3，l 5的功能类 型为 G。静 l H M t，“第 2 6卷第 3期 压 力 容 器 总第 l 9 6期 由于支架 4在靠近三通处，处于敏感 区，其位置需要 在计算 中不断调整，其余几个 L G类型支架 的位置 都可 以直接确定。确定 以上支架 以后进行计算，输 出图 3中编号为 51 0与 l 4处的位移，计算结果见 表 2，3，同时，得到支架 3承受 的重力载荷为 1 6 3 3 k N；支架 4承受 的地震载荷为 2 2 3 5 k N，该力来 自 大管上面水平段的地震冲击。表 5 支 吊架反 力 支吊架反力最大值 支吊架 支吊架 支吊架刚度(k N)支吊架承载 编号 功能类型(1 0 5 N m r n)限值(k N)U 1 G 6 2 _ 1 0 9 3 4 5 6 2 6 6 2 G 6 2 _ 2 2 9 93 4 2 66 3 G 6 2 _ 2 9 6 l 48 5 2 66 4 G 6 2 8 2 5 7 2 0 2 6 6 5 sH 0 oo 66 66 _ 1 37 0 2 66 6 尺+R 6 2 4 8 8 8 5 6 2 6 6 7 6 2 _。1 1 43 2 66 8 6 2 _ 8 9 2 2 6 6 9 尺 6 2 _。91 9 2 66 1 0 R 6 2 。98 2 66 11 G 0 75 3 6 2 48 1 78 _ 1 2 G 0 75 _ 1 93 3 5 6 78 1 3 L G 0 7 5 _ 3 3 8 3 6 5 7 8 1 4 R +R 0 7 5 1 1 4 2 5 6 7 8 1 5 G 0 75 _。l 71 1 7 6 78 图 3 支 吊架分布及编号 从表 3可以看出，应力 比值远超 出了设计标准 和规范的要求，没有达到设计目的，需要设计其它支 架。由于支架 3承受的重力载荷太大，需要在编号 5的位置设计 一个支架，为了解决重力 和热胀 的矛 盾，将支架5 设计成弹簧吊架。分析表 2的计算结 果，支架 6 设计为轴向和横向约束，可以解决支架 4 地震力过大的问题，支架 7为承重支架；支架 8处的 水平地震位移很大，可将支架 8 设计为横向约束；支 架 9 处的水平热胀位移较大，设计为承重支架；支架 1 0处的水平 热胀位 移小，地震位移 大，设计为横 向 约束支架；支架 1 4处的轴向和竖直方向的位移较 大，设计为轴约束和竖直约束的支架。支架 61 0 和 1 4的设计，很好地解决了大管道重力、热胀和地 震载荷之间的矛盾。计算的应力比值和支吊架反力 都满足相关的设计标准、规范，达到了设计 目的，见 表 4，5。4结语 以管道应力分析的专业计算软件为平 台，基 于 有 限元分析，进行 了复杂管道系统的应力计算，确定 了模型中支吊架的位置和功能类 型的选择，完成 了 支吊架布置设计。总结了复杂管道应力计算 中支吊 架布置设计的过程和方法，通过设计实例验证 了该 方法的可靠性和有效性，为复杂管道应力计算 中支 吊架布置设计提供了一种有效 的工程设计和研究途 径。参 考文献：1 J R c cM 2 O 0 2，D e s i g n a n d c o n s t mc t i o n R u l e s o r M e c h a n i c a 1 c o m p o n e n t s o f P wR N u c l e a r I s l a n d s s 2 刘娜，崔文勇，左尚志 管道应力影响因素的正交分析 J 北京化工大学学报，2 0 o 3，3 0(2)：6 6 6 9 3 李庆钊，马崇，杜筝，等 管道应力分析及失效支吊架 调整对策 J 华北电力技术，2 0 o 8，(7)：9一l 1 4 唐永进 管道应力分析 M 北京：中国石化出版社，2 003 5 唐永进 压力管道应力分析的内容及特点 J 石油化 工设计，2 0 0 8，2 5(2)：2 0 2 4 6 赵艳梅，张文格，王冰 压力管道应力分析的一般途径 与可靠性讨论 J 压力容器，2 0 0 1，1 8(4)：6 1 6 3 收稿 日期：2 0 0 9 0 21 3 作者简介：陈敏(1 9 7 7一)，男，工程师，从事核级设备和管道 力学分析及研究，通讯地址：5 1 8 0 4 5广东深圳市福田区下梅 林北环大道 7 0 1 8号中广核工程设计有限公司。2 5