文淵

摘 要：文章探討了管道應(yīng)力分析程序CAESAR II選擇彈簧的機(jī)理，并分析了CAESAR II與另一管道應(yīng)力分析程序GLIF的概念異同。

關(guān)鍵詞：CAESAR II；GLIF；彈簧支吊架；冷位移；熱位移；理論安裝荷載；持續(xù)荷載；操作荷載

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）14-0109-02

電廠動(dòng)力管道，特別是輸送高溫、高壓介質(zhì)的汽水管道是承受高溫、高壓的金屬結(jié)構(gòu)件，其必須滿(mǎn)足強(qiáng)度安全不等式[1] [2]。管道應(yīng)力分析是電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

目前國(guó)內(nèi)廣泛采用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算，如東北電力設(shè)計(jì)院編制的有限元程序GLIF。GLIF多年來(lái)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大中型機(jī)組的管道應(yīng)力分析。

美國(guó)COADE公司的管道應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ作為國(guó)際流行的管道應(yīng)力分析軟件，自20世紀(jì)90年代被國(guó)內(nèi)石化系統(tǒng)設(shè)計(jì)企業(yè)引進(jìn)后，正在被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)工程公司和應(yīng)力分析工程師所采用。CAESARII自4.3版起已將中國(guó)電力的彈簧庫(kù)納入軟件，并在600 MW及以上的機(jī)組中獲得了廣泛應(yīng)用。

但是，CAESARⅡ作為國(guó)外的工程軟件，目前并不遵循國(guó)內(nèi)規(guī)范（如DL/T，5366-2006《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》）。特別是在計(jì)算管系作用力與彈簧選型時(shí)與國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)企業(yè)的習(xí)慣做法并不相同。了解應(yīng)力分析程序選擇彈簧的機(jī)理，對(duì)管道應(yīng)力分析有著重要的指導(dǎo)意義。CAESARⅡ和GLIF兩款軟件雖然概念不完全一樣，但原理是相同的。

1 管道的狀態(tài)線

我們知道，引起管道變形位移的諸因素，主要有支吊架附加反力、管道端點(diǎn)附加位移、管道熱脹冷縮、管道冷緊等[3][4]。這些因素，并非始終存在于管道的各種狀態(tài)中。即管道在不同狀態(tài)下，由于引起管道變形位移諸因素的不同組合疊加，其管線形狀也不同，管道在某一狀態(tài)下的管線形狀稱(chēng)為該狀態(tài)下?tīng)顟B(tài)線。

1.1 設(shè)計(jì)線

剛開(kāi)始進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，管道被看作是一根無(wú)重量的彈性線，這根不考慮任何因素作用的狀態(tài)線稱(chēng)為管道的設(shè)計(jì)（理論）線。

1.2 安裝線

在考慮管道疏水坡度的坡切和冷緊的割短后，管道位置就不是原來(lái)的設(shè)計(jì)線，它是管道安裝時(shí)（冷緊前）的實(shí)際位置線，稱(chēng)為管道的安裝線。此時(shí)對(duì)應(yīng)的管道荷載稱(chēng)為理論安裝荷載。水平管道安裝后就成為一根稍微傾斜的管道，它的兩端與垂直管段相交的角度不再是90 ？觷，垂直管段的長(zhǎng)度尺寸亦要相應(yīng)縮短。

1.3 冷態(tài)線

冷態(tài)（持續(xù)態(tài)）線是以安裝線為基準(zhǔn)，考慮管道自重、支吊架在冷態(tài)的附加力和冷緊引起管道變形位移的疊加。此時(shí)的位移稱(chēng)為冷位移，對(duì)應(yīng)的管道荷載稱(chēng)為冷態(tài)（持續(xù)）荷載。需要說(shuō)明的是，由于施工精度的關(guān)系，目前現(xiàn)場(chǎng)已很少采用冷緊施工。本文中的敘述也不再涉及冷緊。

1.4 熱態(tài)線

熱態(tài)（操作態(tài)）線是以冷態(tài)線為基準(zhǔn)，考慮管道熱膨脹和管道端點(diǎn)附加位移引起管道變形位移的疊加。此時(shí)的位移稱(chēng)為熱位移，對(duì)應(yīng)的管道荷載稱(chēng)為熱態(tài)（操作）荷載。

2 GLIF與CAESAR II選擇彈簧機(jī)理的異同

2.1 CAESAR II的工況的定義

以下是一個(gè)含有彈簧支吊架的管系的典型工況：

CASE1（HGR）=W，即彈簧設(shè)計(jì)工況；

CASE2（HGR）=W+D+T+P，即彈簧設(shè)計(jì)工況；

CASE3（OPE）=W+D+T+P+H，即熱態(tài)（操作）工況；

CASE4（SUS）=W+P+H，即冷態(tài)（持續(xù)）工況；

CASE5（EXP）=CASE3-CASE4，即膨脹工況。

其中：

W表示管系自重，kg；

D表示端點(diǎn)附加位移，mm；

T表示溫度，℃；

P表示內(nèi)壓，MPa；

H表示彈簧的附加反力，N。

2.2 CAESAR II選擇彈簧的機(jī)理

工程上，一般按“熱態(tài)吊零”的載荷分配原則確定彈簧支吊架的受力。所謂“熱態(tài)吊零”，是指彈簧支吊架在熱態(tài)時(shí)承受的力應(yīng)等于冷態(tài)時(shí)由管系分配給它的力。其優(yōu)點(diǎn)是按這樣的原則確定的彈簧支吊架受力使得整個(gè)管系中各支承點(diǎn)承受的自重力在熱態(tài)時(shí)比較均勻。

CAESARII設(shè)計(jì)彈簧是通過(guò)兩個(gè)彈簧設(shè)計(jì)工況來(lái)完成的，如圖1所示。

第一步：計(jì)算彈簧支吊點(diǎn)的分配荷載。

在工況1中，CAESARII用剛性約束替代彈簧，進(jìn)行管系荷載分配計(jì)算，得到的荷載即為彈簧的熱態(tài)（操作）荷載HL。

第二步：計(jì)算彈簧支吊點(diǎn)的計(jì)算熱位移。

在工況2中，CAESARII 將工況1中計(jì)算出的熱態(tài)荷載指定給彈簧，并將彈簧剛度置為零，對(duì)管系作靜力計(jì)算，得到彈簧支吊點(diǎn)的計(jì)算熱位移TH。

第三步：選擇彈簧。

由前兩步得到的熱態(tài)（操作）荷載HL和計(jì)算熱位移TH這兩個(gè)參數(shù)，軟件就可以按照彈簧選擇規(guī)則從軟件內(nèi)置的彈簧表中確定一個(gè)彈簧剛度值k，自動(dòng)選出彈簧，并計(jì)算出“理論安裝載荷”TIL值。并以該值為彈簧整定值。

理論安裝載荷TIL=熱態(tài)（操作）荷載HL+彈簧剛度k×（±位移量TH）。當(dāng)位移量向上時(shí)，位移量取正值，反之則取負(fù)值。

至此，彈簧的選擇已經(jīng)完成。但應(yīng)力計(jì)算尚未結(jié)束。

最后，CII利用設(shè)計(jì)出的彈簧，將H（即考慮彈簧的剛度因素）作用于其它工況中，進(jìn)行管系載荷、位移等計(jì)算。在工況3中，得到彈簧的熱態(tài)（操作）荷載HL和彈簧的計(jì)算熱位移TH。在工況4中，得到彈簧的冷態(tài)（持續(xù)）荷載CL和彈簧的冷位移CD。在工況5中，得到彈簧的熱位移HD。

下面舉例說(shuō)明。

有一彈簧設(shè)計(jì)值為HL=5 000 N，TH=25 mm，k=20 N/mm，理論安裝荷載為T(mén)IL=5 500 N。當(dāng)管系安裝完畢，拔出彈簧的定位銷(xiāo)后，如果管道很柔，過(guò)大的理論安裝荷載會(huì)使此點(diǎn)管道產(chǎn)生冷位移15 mm，同時(shí)荷載降低至5 500-15×20=5 200 N。

如果管道受熱，關(guān)于計(jì)算熱位移25 mm不難理解。因?yàn)楣艿老蛏弦苿?dòng)，彈簧釋放，管道荷載降低，彈簧荷載降低——直至和重量平衡，彈簧不再向上拉管道。

2.3 國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)院選擇彈簧的方法

上述彈簧設(shè)計(jì)方法是國(guó)外95%的設(shè)計(jì)采用的通用方法，然而國(guó)內(nèi)電力的做法與上面并不完全相同。以程序GLIF為例。

前兩步與CAESARII相同，同樣如圖1所示。

第三步：選擇彈簧。由前兩步得到的熱態(tài)（操作）荷載HL和計(jì)算熱位移TH這兩個(gè)參數(shù)，軟件就可以按照彈簧選擇規(guī)則從軟件內(nèi)置的彈簧表中確定一個(gè)彈簧剛度值k，自動(dòng)初選彈簧，并計(jì)算出“理論安裝載荷”TIL值。

理論安裝載荷TIL=熱態(tài)（操作）荷載HL+彈簧剛度k×（±位移量TH）。

當(dāng)位移量向上時(shí)，位移量取正值，反之則取負(fù)值。

然后，利用初選出的彈簧，將H（即考慮彈簧的剛度因素）作用于其它工況中，進(jìn)行管系載荷、位移等計(jì)算。在工況3中，得到彈簧的熱態(tài)（操作）荷載HL和彈簧的計(jì)算熱位移TH。在工況4中，得到彈簧的冷態(tài)（持續(xù)）荷載CL和彈簧的冷位移CD。在工況5中，得到彈簧的熱位移HD。

第四步，用熱態(tài)（操作）荷載HL和熱位移HD這兩個(gè)參數(shù)，重復(fù)第三步進(jìn)行反復(fù)的迭代運(yùn)算，直至選出唯一的彈簧為止。并用該荷載和熱位移計(jì)算出各工況數(shù)值。并以彈簧的冷態(tài)（持續(xù)）荷載CL為彈簧整定值。

下面分兩種情況舉例說(shuō)明。

2.3.1 彈簧不跳檔

計(jì)算出的彈簧設(shè)計(jì)值仍為：

HL=5 000 N；

CL為5 200 N；

HD=10 mm，k=20 N/mm；

理論安裝荷載為：TIL=5 500 N。

電力院將定購(gòu)預(yù)壓冷態(tài)荷載為5 200 N的彈簧并安裝。

這與國(guó)外定購(gòu)預(yù)壓理論安裝荷載為5 500 N的彈簧沒(méi)有區(qū)別，所不同的只是現(xiàn)場(chǎng)安裝方式：一種情況是通過(guò)預(yù)壓彈簧荷載至TIL 5 500 N，然后現(xiàn)場(chǎng)拔去彈簧定位銷(xiāo)，彈簧荷載“漂移”至CL 5 200 N，另一種是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整支吊架的花蘭螺絲，使彈簧刻度保持在CL上，然后再拔銷(xiāo)。

2.3.2 彈簧跳檔

計(jì)算出的彈簧可能發(fā)生跳檔。跳檔的優(yōu)點(diǎn)是在大荷載的場(chǎng)合下，程序能夠選出位移相對(duì)比較小的彈簧，比較經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)是不得不在現(xiàn)場(chǎng)檢查和調(diào)整彈簧，確保彈簧刻度在CL點(diǎn)。下表舉例列出了某一彈簧支吊架在計(jì)算彈簧行程時(shí)是否計(jì)入彈簧剛度的工況下的不同計(jì)算結(jié)果（序號(hào)1為未計(jì)入彈簧剛度，序號(hào)2為計(jì)入彈簧剛度）。大小彈簧的相關(guān)數(shù)值見(jiàn)表1。

從上表可看出，在計(jì)算彈簧行程時(shí)計(jì)入彈簧剛度，計(jì)算出的彈簧可能發(fā)生跳檔，設(shè)計(jì)人員能夠選擇較小的彈簧。

在CAESARII4.4及其后的版本中，軟件已應(yīng)中國(guó)電力設(shè)計(jì)企業(yè)的要求為設(shè)計(jì)人員預(yù)留了自由選擇“在計(jì)算彈簧行程時(shí)是否計(jì)入彈簧剛度”的選項(xiàng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

CAESARⅡ作為國(guó)外的工程軟件，在彈簧選型時(shí)與國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)企業(yè)的習(xí)慣做法不一致，并且軟件本身不包括國(guó)內(nèi)的應(yīng)力計(jì)算規(guī)程。

因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在軟件配置中進(jìn)行特別設(shè)置，確保其輸出結(jié)果符合國(guó)內(nèi)彈簧選型習(xí)慣及國(guó)內(nèi)應(yīng)力計(jì)算規(guī)程。

參考文獻(xiàn)：

[1] DL/T 5366-2006，火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 王致祥，梁志釗，孫國(guó)模，等.管道應(yīng)力分析與計(jì)算[M].北京：水利電力出版社，1983.

[3] 林其略，周美芳.管道支吊技術(shù)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1993.