梁小龍

摘 要：采用AutoPSA軟件對國內(nèi)某大型鋁加工廠熱力站中的高溫高壓蒸汽管道實際運行狀況進行應(yīng)力計算及分析，建立了有限元計算模型，研究了管道在自重、內(nèi)壓和其他荷載下的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，判定了管道的安全性和合理性，設(shè)備能否承受管道的推力和力矩；計算出管段中出現(xiàn)的支吊架的相關(guān)參數(shù)，為實際工程中選擇支吊架的形式和型號提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元；壓力管道；應(yīng)力分析

在當(dāng)今工程設(shè)計中，對熱力管道進行應(yīng)力分析是必不可少的工作。AutoPSA采用成熟可靠的有限元算法分析管道系統(tǒng)，提高了計算精度，采用微軟工業(yè)化開發(fā)計算VC++6.0，以大量的MFC類庫編程提高開發(fā)效率、運行速度和穩(wěn)定性。文章采用AutoPSA軟件對實例工程中高溫高壓蒸汽管道進行了應(yīng)力分析，研究了管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，判斷了管道在高溫高壓工況下的經(jīng)濟性、安全性和合理性，以及管道的由于變形等產(chǎn)生的推力和力矩對設(shè)備的影響。

1 管道荷載的確定

1.1 荷載分類

管道承受的荷載可分為以下幾類：

（1）壓力荷載；（2）端點和熱脹位移；（3）持續(xù)外載；（4）偶然荷載。

1.2 荷載工況

管道應(yīng)力計算必須考慮實際運行工況。單元體積為實際尺寸，重力荷載為單元密度、重力加速度和體積三者之積，正向為豎直向下。

2 管道有關(guān)參數(shù)

文章根據(jù)國內(nèi)某大型鋁加工廠熱力站高溫高壓蒸汽管道作為研究對象，采用AutoPSA軟件進行管道應(yīng)力分析，確定了蒸汽管道的材質(zhì)、規(guī)格、介質(zhì)常數(shù)等。管道安裝溫度為20℃，管材為20號鋼，計算壓力為1.1MPa，計算溫度為350℃，管道型號有兩種：D480×12mm和D530×14mm，其余參數(shù)可查相關(guān)書籍。

3 計算模型

3.1 模型的建立和單元劃分

3.1.1 單元模型

模擬計算管道時采用空間梁管單元力學(xué)模型，能夠求得梁的六個內(nèi)力分量，可以進一步計算局部管道。管道單元的劃分節(jié)點主要選取在管系的危險點處，根據(jù)管道實際尺寸建立計算模型，將管道的節(jié)點編號和位置標(biāo)注在管線圖中。文章研究的對象為實際工程中的高溫高壓蒸汽管道，管道軸測圖和模型圖詳見圖1和圖2。

3.1.2 管道附件的簡化

（1）閥門和法蘭

對管道中的閥門、法蘭采用簡化處理，根據(jù)實際情況將閥門、法蘭簡化成相應(yīng)直徑的管道，并附加相應(yīng)的集中荷載。

（2）彎頭

采用分段模擬的方法對計算管道中的彎頭、三通、變徑管進行局部細(xì)分，將微小段近似看成直線段進行模擬，以此實現(xiàn)足夠精度的要求。

圖2 蒸汽管道模型

3.2 邊界條件的確定

為充分體現(xiàn)管道實際的運行狀況和走向，并根據(jù)實際情況在不同部位采用了滑動支架、彈簧支吊架和固定支架等三種情況。固定支架處三個方向的轉(zhuǎn)角和位移均受到約束，設(shè)為0?；瑒又Ъ芴幖s束方向與管道軸線垂直向下設(shè)定為0，其余方向及三個轉(zhuǎn)角不受約束。彈簧支吊架產(chǎn)生支撐方向的位移，其余方向及轉(zhuǎn)角不受約束。在AutoPSA中，表達位移和轉(zhuǎn)角的分別為X、Y、Z、RX、RY、RZ。

4 管道應(yīng)力計算結(jié)果分析

4.1 管道應(yīng)力判定

根據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算計算規(guī)定》（SDGJ6-2006）和《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T5054-1996）的規(guī)定，管道應(yīng)力計算滿足以下條件：

一次應(yīng)力：

二次應(yīng)力：

式中[？啄]t-設(shè)計溫度t下的基本許用應(yīng)力；[？啄]20-20℃的基本許用應(yīng)力。

4.2 管道模擬計算結(jié)果

AutoPSA計算結(jié)果給出了管道中各節(jié)點、起點、終點、危險點處的應(yīng)力計算值，管端推力和冷（熱）推力，管道中出現(xiàn)的各種支架的冷位移、熱位移、安裝荷載、工作荷載和彈簧支架的彈簧型號。從計算結(jié)果中可以看出蒸汽管道的位移及應(yīng)力等分布情況，其中管道最大應(yīng)力及對應(yīng)的節(jié)點號見表1。

從表1中可以看出，管道最大應(yīng)力處主要出現(xiàn)在管道彎頭、變徑管及固定支架處，管道最大應(yīng)力處均小于管材在工作溫度下的許用應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力判定方法，滿足相應(yīng)規(guī)范對應(yīng)力的要求。蒸汽管道根據(jù)實際情況設(shè)置了固定支架、滑動支架和彈簧支吊架，AutoPSA計算出了各支吊架承受的荷載和位移，詳見表2。

從表中可以看出，滑動支架沒有冷位移，只有熱位移且安裝荷重和工作荷重數(shù)值、方向上均相同；彈簧支吊架不僅有冷、熱位移，安裝荷重和工作荷重在數(shù)值上并不相同，在實際工程中，建設(shè)單位可以根據(jù)AutoPSA軟件計算出的數(shù)據(jù)選擇彈簧支吊架的型號。

5 結(jié)束語

5.1 在實際工程中可以現(xiàn)場實際測量計算管道尺寸來建立計算模型和設(shè)置邊界條件，提高軟件計算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

5.2 AutoPSA軟件模擬計算蒸汽管道各處應(yīng)力，給出了在管段中最大應(yīng)力點，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范判定了最大應(yīng)力點處的安全性。

5.3 AutoPSA軟件對計算管段中出現(xiàn)的滑動支架、固定支架和彈簧支吊架給出了安裝荷重、工作荷重和位移，在實際工程中為支架的選型提供了準(zhǔn)確的參數(shù)，解決了實際問題。

參考文獻

[1]楊鐵成，胡明東，倪向貴.高溫高壓工藝管道應(yīng)力分析計算[J].壓力容器，2005（6）.

[2]趙艷艷.基于ANSYS的高溫高壓復(fù)合材料管道的應(yīng)力分析[J].科技信息，2010（22）.

[3]周小兵，蔡曉峰，陽東升，等.彈簧支吊架在管道布置和應(yīng)力分析中的相關(guān)注意事項[J].化肥設(shè)計，2010（6）：29-31.

[4]唐永進.壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容及特點[J].石油化工設(shè)計，2008（2）：20-24.

[5]王兵.熱電站中壓中溫蒸汽管道應(yīng)力的分析[J].江蘇冶金，2004，32（1）.endprint

摘 要：采用AutoPSA軟件對國內(nèi)某大型鋁加工廠熱力站中的高溫高壓蒸汽管道實際運行狀況進行應(yīng)力計算及分析，建立了有限元計算模型，研究了管道在自重、內(nèi)壓和其他荷載下的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，判定了管道的安全性和合理性，設(shè)備能否承受管道的推力和力矩；計算出管段中出現(xiàn)的支吊架的相關(guān)參數(shù)，為實際工程中選擇支吊架的形式和型號提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元；壓力管道；應(yīng)力分析

在當(dāng)今工程設(shè)計中，對熱力管道進行應(yīng)力分析是必不可少的工作。AutoPSA采用成熟可靠的有限元算法分析管道系統(tǒng)，提高了計算精度，采用微軟工業(yè)化開發(fā)計算VC++6.0，以大量的MFC類庫編程提高開發(fā)效率、運行速度和穩(wěn)定性。文章采用AutoPSA軟件對實例工程中高溫高壓蒸汽管道進行了應(yīng)力分析，研究了管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，判斷了管道在高溫高壓工況下的經(jīng)濟性、安全性和合理性，以及管道的由于變形等產(chǎn)生的推力和力矩對設(shè)備的影響。

1 管道荷載的確定

1.1 荷載分類

管道承受的荷載可分為以下幾類：

（1）壓力荷載；（2）端點和熱脹位移；（3）持續(xù)外載；（4）偶然荷載。

1.2 荷載工況

管道應(yīng)力計算必須考慮實際運行工況。單元體積為實際尺寸，重力荷載為單元密度、重力加速度和體積三者之積，正向為豎直向下。

2 管道有關(guān)參數(shù)

文章根據(jù)國內(nèi)某大型鋁加工廠熱力站高溫高壓蒸汽管道作為研究對象，采用AutoPSA軟件進行管道應(yīng)力分析，確定了蒸汽管道的材質(zhì)、規(guī)格、介質(zhì)常數(shù)等。管道安裝溫度為20℃，管材為20號鋼，計算壓力為1.1MPa，計算溫度為350℃，管道型號有兩種：D480×12mm和D530×14mm，其余參數(shù)可查相關(guān)書籍。

3 計算模型

3.1 模型的建立和單元劃分

3.1.1 單元模型

模擬計算管道時采用空間梁管單元力學(xué)模型，能夠求得梁的六個內(nèi)力分量，可以進一步計算局部管道。管道單元的劃分節(jié)點主要選取在管系的危險點處，根據(jù)管道實際尺寸建立計算模型，將管道的節(jié)點編號和位置標(biāo)注在管線圖中。文章研究的對象為實際工程中的高溫高壓蒸汽管道，管道軸測圖和模型圖詳見圖1和圖2。

3.1.2 管道附件的簡化

（1）閥門和法蘭

對管道中的閥門、法蘭采用簡化處理，根據(jù)實際情況將閥門、法蘭簡化成相應(yīng)直徑的管道，并附加相應(yīng)的集中荷載。

（2）彎頭

采用分段模擬的方法對計算管道中的彎頭、三通、變徑管進行局部細(xì)分，將微小段近似看成直線段進行模擬，以此實現(xiàn)足夠精度的要求。

圖2 蒸汽管道模型

3.2 邊界條件的確定

為充分體現(xiàn)管道實際的運行狀況和走向，并根據(jù)實際情況在不同部位采用了滑動支架、彈簧支吊架和固定支架等三種情況。固定支架處三個方向的轉(zhuǎn)角和位移均受到約束，設(shè)為0。滑動支架處約束方向與管道軸線垂直向下設(shè)定為0，其余方向及三個轉(zhuǎn)角不受約束。彈簧支吊架產(chǎn)生支撐方向的位移，其余方向及轉(zhuǎn)角不受約束。在AutoPSA中，表達位移和轉(zhuǎn)角的分別為X、Y、Z、RX、RY、RZ。

4 管道應(yīng)力計算結(jié)果分析

4.1 管道應(yīng)力判定

根據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算計算規(guī)定》（SDGJ6-2006）和《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T5054-1996）的規(guī)定，管道應(yīng)力計算滿足以下條件：

一次應(yīng)力：

二次應(yīng)力：

式中[？啄]t-設(shè)計溫度t下的基本許用應(yīng)力；[？啄]20-20℃的基本許用應(yīng)力。

4.2 管道模擬計算結(jié)果

AutoPSA計算結(jié)果給出了管道中各節(jié)點、起點、終點、危險點處的應(yīng)力計算值，管端推力和冷（熱）推力，管道中出現(xiàn)的各種支架的冷位移、熱位移、安裝荷載、工作荷載和彈簧支架的彈簧型號。從計算結(jié)果中可以看出蒸汽管道的位移及應(yīng)力等分布情況，其中管道最大應(yīng)力及對應(yīng)的節(jié)點號見表1。

從表1中可以看出，管道最大應(yīng)力處主要出現(xiàn)在管道彎頭、變徑管及固定支架處，管道最大應(yīng)力處均小于管材在工作溫度下的許用應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力判定方法，滿足相應(yīng)規(guī)范對應(yīng)力的要求。蒸汽管道根據(jù)實際情況設(shè)置了固定支架、滑動支架和彈簧支吊架，AutoPSA計算出了各支吊架承受的荷載和位移，詳見表2。

從表中可以看出，滑動支架沒有冷位移，只有熱位移且安裝荷重和工作荷重數(shù)值、方向上均相同；彈簧支吊架不僅有冷、熱位移，安裝荷重和工作荷重在數(shù)值上并不相同，在實際工程中，建設(shè)單位可以根據(jù)AutoPSA軟件計算出的數(shù)據(jù)選擇彈簧支吊架的型號。

5 結(jié)束語

5.1 在實際工程中可以現(xiàn)場實際測量計算管道尺寸來建立計算模型和設(shè)置邊界條件，提高軟件計算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

5.2 AutoPSA軟件模擬計算蒸汽管道各處應(yīng)力，給出了在管段中最大應(yīng)力點，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范判定了最大應(yīng)力點處的安全性。

5.3 AutoPSA軟件對計算管段中出現(xiàn)的滑動支架、固定支架和彈簧支吊架給出了安裝荷重、工作荷重和位移，在實際工程中為支架的選型提供了準(zhǔn)確的參數(shù)，解決了實際問題。

參考文獻

[1]楊鐵成，胡明東，倪向貴.高溫高壓工藝管道應(yīng)力分析計算[J].壓力容器，2005（6）.

[2]趙艷艷.基于ANSYS的高溫高壓復(fù)合材料管道的應(yīng)力分析[J].科技信息，2010（22）.

[3]周小兵，蔡曉峰，陽東升，等.彈簧支吊架在管道布置和應(yīng)力分析中的相關(guān)注意事項[J].化肥設(shè)計，2010（6）：29-31.

[4]唐永進.壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容及特點[J].石油化工設(shè)計，2008（2）：20-24.

[5]王兵.熱電站中壓中溫蒸汽管道應(yīng)力的分析[J].江蘇冶金，2004，32（1）.endprint

摘 要：采用AutoPSA軟件對國內(nèi)某大型鋁加工廠熱力站中的高溫高壓蒸汽管道實際運行狀況進行應(yīng)力計算及分析，建立了有限元計算模型，研究了管道在自重、內(nèi)壓和其他荷載下的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，判定了管道的安全性和合理性，設(shè)備能否承受管道的推力和力矩；計算出管段中出現(xiàn)的支吊架的相關(guān)參數(shù)，為實際工程中選擇支吊架的形式和型號提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元；壓力管道；應(yīng)力分析

在當(dāng)今工程設(shè)計中，對熱力管道進行應(yīng)力分析是必不可少的工作。AutoPSA采用成熟可靠的有限元算法分析管道系統(tǒng)，提高了計算精度，采用微軟工業(yè)化開發(fā)計算VC++6.0，以大量的MFC類庫編程提高開發(fā)效率、運行速度和穩(wěn)定性。文章采用AutoPSA軟件對實例工程中高溫高壓蒸汽管道進行了應(yīng)力分析，研究了管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，判斷了管道在高溫高壓工況下的經(jīng)濟性、安全性和合理性，以及管道的由于變形等產(chǎn)生的推力和力矩對設(shè)備的影響。

1 管道荷載的確定

1.1 荷載分類

管道承受的荷載可分為以下幾類：

（1）壓力荷載；（2）端點和熱脹位移；（3）持續(xù)外載；（4）偶然荷載。

1.2 荷載工況

管道應(yīng)力計算必須考慮實際運行工況。單元體積為實際尺寸，重力荷載為單元密度、重力加速度和體積三者之積，正向為豎直向下。

2 管道有關(guān)參數(shù)

文章根據(jù)國內(nèi)某大型鋁加工廠熱力站高溫高壓蒸汽管道作為研究對象，采用AutoPSA軟件進行管道應(yīng)力分析，確定了蒸汽管道的材質(zhì)、規(guī)格、介質(zhì)常數(shù)等。管道安裝溫度為20℃，管材為20號鋼，計算壓力為1.1MPa，計算溫度為350℃，管道型號有兩種：D480×12mm和D530×14mm，其余參數(shù)可查相關(guān)書籍。

3 計算模型

3.1 模型的建立和單元劃分

3.1.1 單元模型

模擬計算管道時采用空間梁管單元力學(xué)模型，能夠求得梁的六個內(nèi)力分量，可以進一步計算局部管道。管道單元的劃分節(jié)點主要選取在管系的危險點處，根據(jù)管道實際尺寸建立計算模型，將管道的節(jié)點編號和位置標(biāo)注在管線圖中。文章研究的對象為實際工程中的高溫高壓蒸汽管道，管道軸測圖和模型圖詳見圖1和圖2。

3.1.2 管道附件的簡化

（1）閥門和法蘭

對管道中的閥門、法蘭采用簡化處理，根據(jù)實際情況將閥門、法蘭簡化成相應(yīng)直徑的管道，并附加相應(yīng)的集中荷載。

（2）彎頭

采用分段模擬的方法對計算管道中的彎頭、三通、變徑管進行局部細(xì)分，將微小段近似看成直線段進行模擬，以此實現(xiàn)足夠精度的要求。

圖2 蒸汽管道模型

3.2 邊界條件的確定

為充分體現(xiàn)管道實際的運行狀況和走向，并根據(jù)實際情況在不同部位采用了滑動支架、彈簧支吊架和固定支架等三種情況。固定支架處三個方向的轉(zhuǎn)角和位移均受到約束，設(shè)為0?；瑒又Ъ芴幖s束方向與管道軸線垂直向下設(shè)定為0，其余方向及三個轉(zhuǎn)角不受約束。彈簧支吊架產(chǎn)生支撐方向的位移，其余方向及轉(zhuǎn)角不受約束。在AutoPSA中，表達位移和轉(zhuǎn)角的分別為X、Y、Z、RX、RY、RZ。

4 管道應(yīng)力計算結(jié)果分析

4.1 管道應(yīng)力判定

根據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算計算規(guī)定》（SDGJ6-2006）和《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T5054-1996）的規(guī)定，管道應(yīng)力計算滿足以下條件：

一次應(yīng)力：

二次應(yīng)力：

式中[？啄]t-設(shè)計溫度t下的基本許用應(yīng)力；[？啄]20-20℃的基本許用應(yīng)力。

4.2 管道模擬計算結(jié)果

AutoPSA計算結(jié)果給出了管道中各節(jié)點、起點、終點、危險點處的應(yīng)力計算值，管端推力和冷（熱）推力，管道中出現(xiàn)的各種支架的冷位移、熱位移、安裝荷載、工作荷載和彈簧支架的彈簧型號。從計算結(jié)果中可以看出蒸汽管道的位移及應(yīng)力等分布情況，其中管道最大應(yīng)力及對應(yīng)的節(jié)點號見表1。

從表1中可以看出，管道最大應(yīng)力處主要出現(xiàn)在管道彎頭、變徑管及固定支架處，管道最大應(yīng)力處均小于管材在工作溫度下的許用應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力判定方法，滿足相應(yīng)規(guī)范對應(yīng)力的要求。蒸汽管道根據(jù)實際情況設(shè)置了固定支架、滑動支架和彈簧支吊架，AutoPSA計算出了各支吊架承受的荷載和位移，詳見表2。

從表中可以看出，滑動支架沒有冷位移，只有熱位移且安裝荷重和工作荷重數(shù)值、方向上均相同；彈簧支吊架不僅有冷、熱位移，安裝荷重和工作荷重在數(shù)值上并不相同，在實際工程中，建設(shè)單位可以根據(jù)AutoPSA軟件計算出的數(shù)據(jù)選擇彈簧支吊架的型號。

5 結(jié)束語

5.1 在實際工程中可以現(xiàn)場實際測量計算管道尺寸來建立計算模型和設(shè)置邊界條件，提高軟件計算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

5.2 AutoPSA軟件模擬計算蒸汽管道各處應(yīng)力，給出了在管段中最大應(yīng)力點，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范判定了最大應(yīng)力點處的安全性。

5.3 AutoPSA軟件對計算管段中出現(xiàn)的滑動支架、固定支架和彈簧支吊架給出了安裝荷重、工作荷重和位移，在實際工程中為支架的選型提供了準(zhǔn)確的參數(shù)，解決了實際問題。

參考文獻

[1]楊鐵成，胡明東，倪向貴.高溫高壓工藝管道應(yīng)力分析計算[J].壓力容器，2005（6）.

[2]趙艷艷.基于ANSYS的高溫高壓復(fù)合材料管道的應(yīng)力分析[J].科技信息，2010（22）.

[3]周小兵，蔡曉峰，陽東升，等.彈簧支吊架在管道布置和應(yīng)力分析中的相關(guān)注意事項[J].化肥設(shè)計，2010（6）：29-31.

[4]唐永進.壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容及特點[J].石油化工設(shè)計，2008（2）：20-24.

[5]王兵.熱電站中壓中溫蒸汽管道應(yīng)力的分析[J].江蘇冶金，2004，32（1）.endprint