聶磊

上海華誼工程有限公司（上?！?00235）

化工設(shè)備

設(shè)備支撐的兩種模擬方式對(duì)管口載荷的影響

聶磊

上海華誼工程有限公司（上海200235）

管道應(yīng)力分析的目的是保證設(shè)備與管道的安全運(yùn)行，并且在此前提下盡量保證管道的美觀性和經(jīng)濟(jì)性，避免不必要的柔性彎。通過CAESAR II對(duì)再沸器管線進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)再沸器支架的模擬采用了剛性支撐單元和鋼結(jié)構(gòu)兩種方式，并介紹了鋼結(jié)構(gòu)單元參數(shù)的計(jì)算方法，得出了將設(shè)備支架模擬為鋼結(jié)構(gòu)可以改善管口受力，并能節(jié)約材料的結(jié)論。

鋼結(jié)構(gòu) CAESARⅡ 設(shè)備支撐 管口載荷

1　CAESARⅡ簡介

CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件是由美國COADE公司研發(fā)的專業(yè)管道應(yīng)力分析軟件，它既可以進(jìn)行靜態(tài)分析，也可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析[1]。CAESARⅡ向用戶提供完備的國際上通用的管道設(shè)計(jì)規(guī)范，軟件使用方便快捷。該軟件可以通過輸入屏幕或表格完成數(shù)據(jù)輸入，將形成的管系模型顯示在屏幕上進(jìn)行評(píng)判，清楚直觀，因此該軟件是當(dāng)今世界上用戶最多的應(yīng)力分析軟件，在國內(nèi)管道應(yīng)力分析領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。CAESARⅡ允許分析管道和鋼結(jié)構(gòu)一體的復(fù)合模型，用戶可得到管道-鋼結(jié)構(gòu)非線性作用計(jì)算和圖形結(jié)果。

2　鋼結(jié)構(gòu)模擬的必要性

鋼框架結(jié)構(gòu)由于抗震性能良好、自重輕、施工周期短、建造速度快等，在現(xiàn)代化工生產(chǎn)裝置中應(yīng)用普遍。設(shè)備和管道的支架通過鋼結(jié)構(gòu)的鋼梁來支撐，通常在運(yùn)用CAESARⅡ進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，支撐簡單的模擬為剛性支撐，而CAESARⅡ剛性支撐默認(rèn)的平移約束剛度為1.75e+12 N/cm，這種模擬方式近似地認(rèn)為支架不可變形，不符合實(shí)際情況，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)梁在豎直方向上受到集中載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定撓度，當(dāng)集中載荷較大時(shí)，撓度不可以被忽略。下面通過實(shí)例分析，比較模擬鋼結(jié)構(gòu)與單純剛性支撐的不同應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，以說明模擬鋼結(jié)構(gòu)的必要性。

3　實(shí)例

再沸器是化工裝置中十分常見且非常重要的工藝裝備，其支撐方式通常有兩種，一種是將支架生根到塔的外壁支撐，另一種是再沸器的支耳通過鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)支撐。第一種支撐方式中塔的熱膨脹會(huì)帶動(dòng)再沸器一起膨脹，二者的熱膨脹位移差較小，管口受力情況良好。第二種支撐方式中塔與再沸器分別單獨(dú)支撐，二者產(chǎn)生的熱膨脹量在管口位置相差較大，易造成管口載荷過大，本文重點(diǎn)討論分析第二種支撐方式。

再沸器的自重較大，會(huì)對(duì)支撐設(shè)備的鋼梁產(chǎn)生豎直方向的集中應(yīng)力，使鋼梁在豎直方向產(chǎn)生形變，此形變可減少塔與再沸器之間的膨脹差，增加整個(gè)管系的柔性，從而改善管口載荷。

3.1鋼結(jié)構(gòu)模型

在CAESARⅡ軟件中，鋼結(jié)構(gòu)支撐模擬需要建立管道-鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合模型，鋼結(jié)構(gòu)模型需要在鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊中單獨(dú)建立，在二者復(fù)合時(shí)設(shè)備的支架約束同鋼結(jié)構(gòu)模型通過Cnode功能連接到一起。CAESARⅡ軟件的鋼結(jié)構(gòu)模塊提供了AISC 1977，AISC1989，German1991，Australian1990，South African 1992，Korean 1990，UK 1993等幾種鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，但缺少國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于工字鋼來說，需要設(shè)置的參數(shù)主要有截面積、強(qiáng)軸慣性矩、弱軸慣性矩、工字鋼的寬度和高度、扭轉(zhuǎn)慣性矩。前4個(gè)參數(shù)可以從GB/T 11263—2010《熱軋H型鋼和部分T型鋼》中查到，扭轉(zhuǎn)慣性矩需要由式（1）[2]來計(jì)算：

式中，It為扭轉(zhuǎn)慣性矩，mm4；η為修正因數(shù)，對(duì)于工字鋼，η＝1.2；h為工字鋼的寬度，mm；δ為工字鋼翼緣厚度，mm。

圖1和圖2分別為純管道模型和鋼結(jié)構(gòu)-管道復(fù)合模型。

圖1　純管道模型

圖2　鋼結(jié)構(gòu)-管道復(fù)合模型

3.2設(shè)備與管道參數(shù)

設(shè)備與管道參數(shù)見表1。

3.3組合工況的建立

本文主要分析在操作與設(shè)計(jì)工況下管口載荷的變化，具體見表2。L4和L5代表一次應(yīng)力，二者安裝態(tài)附加的壓力不同，L6和L7分別是由溫度T1和T2引起的熱脹力，而L8是考慮T2與T1之間的溫度差導(dǎo)致的熱脹力。

表1　設(shè)備與管道參數(shù)

表2　工況組合

3.4分析思路

對(duì)蒸汽管道與外管相連接的部分，考慮了x方向的附加位移，同時(shí)假定y方向和z方向附加位移為零。蒸汽溫度較高時(shí)，在z方向會(huì)產(chǎn)生很大的膨脹量，由于管道的柔性較差，會(huì)造成圖1中管口3的受力超標(biāo)；管口2與管口1除了z方向膨脹量的問題之外，還存在塔和再沸器豎直方向膨脹量不同的問題。通常，在空間位置允許的情況下可考慮增加管道的柔性，以保證設(shè)備管口的受力處在允許值以下，保證裝置的安全運(yùn)行。方案如圖3所示。

圖3　管道模型增加柔性

從圖3中的方塊標(biāo)注可以看出，若要增加管道的柔性，對(duì)于蒸汽管道與外管連接的位置，需先將蒸汽管道沿著外管方向平拐一段距離，再和外管相連接，用來吸收z方向的部分管道膨脹量；二氯乙烷管道需要增加直管段的長度。這兩種方案都會(huì)導(dǎo)致材料用量的增加，且蒸汽管道的配管方式并不美觀，所以考慮是否可以在不改變配管的前提下增加設(shè)備的柔性，而設(shè)備唯一可以變更模擬的方式就是支架的模擬。塔器的裙座直接固定在地面上，所以塔的支撐方式考慮采用固定支架，再沸器通過支耳固定在鋼結(jié)構(gòu)上，考慮將鋼結(jié)構(gòu)模擬進(jìn)模型中，檢測是或否會(huì)減少管口受力。

3.5計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.5.1最大應(yīng)力分布

圖4為一次應(yīng)力與二次應(yīng)力的最大值與許用應(yīng)力的比，即工況L4，L5，L6，L7在純管道模型和管道-鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合模型中的最大應(yīng)力對(duì)比。

圖4　應(yīng)力對(duì)比

從圖4可以看出，在L4和L5工況下，純管道模型出現(xiàn)的最大應(yīng)力點(diǎn)所占許用應(yīng)力的比例要小于鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合模型的應(yīng)力占比，原因是一次應(yīng)力主要是由管道和設(shè)備自重產(chǎn)生的，其變化主要取決于支架形式和數(shù)量的變化，鋼結(jié)構(gòu)-管道復(fù)合模型中的工字鋼支撐剛度較小，會(huì)產(chǎn)生撓度變形，使一次應(yīng)力變大，結(jié)果符合理論分析。在二次應(yīng)力（即L6和L7）工況下，鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合模型的應(yīng)力情況好于純管道模型，這是因?yàn)槎螒?yīng)力主要是由熱膨脹引起的，管系的柔性越好，應(yīng)力情況就越好。

3.5.2再沸器支架撓度驗(yàn)證

鋼結(jié)構(gòu)-管道復(fù)合模型的柔性較好，主要是通過再沸器支耳位置工字鋼撓度的變化來實(shí)現(xiàn)的。模型中鋼結(jié)構(gòu)模型產(chǎn)生的撓度是否真實(shí)合理對(duì)結(jié)果的真實(shí)性影響很大，需要通過簡單的理論計(jì)算來驗(yàn)證軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性。以圖1中再沸器支耳1為例進(jìn)行驗(yàn)算，支耳放在梁的中心，可以近似考慮為簡支梁中心受到一個(gè)集中載荷，采用式（2）[2]進(jìn)行計(jì)算。

式中，w為撓度，mm；F為集中應(yīng)力載荷，N；E為彈性模量，GPa；l為工字鋼長度，mm；I為慣性矩。

從CAESARⅡ軟件中讀取到的支耳1的受力為-69065 N，帶入公式，則理論計(jì)算的撓度為-2.588 mm，軟件的計(jì)算值為-2.522 mm，理論值和軟件值相差2.5%左右。考慮在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)中，支撐再沸器的工字鋼梁的約束條件和簡支梁有所區(qū)別，而在工程中，10%以內(nèi)的誤差是可以接受的，故可認(rèn)為軟體計(jì)算準(zhǔn)確。

3.5.3設(shè)備管口載荷

以圖1中再沸器和塔器的三個(gè)管口作為計(jì)算對(duì)象，在L2和L3工況下，純管道模型和鋼結(jié)構(gòu)-管道復(fù)合模型中的受力情況分別見表3和表4。

表3　L2工況管口載荷

由表3和表4的管口載荷數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)-管道復(fù)合模型中三個(gè)管口的受力比純管道模型大幅降低，且結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4　結(jié)論

分析了設(shè)備支撐的兩種模擬方式對(duì)管口載荷的影響，通過CAESARⅡ軟件對(duì)再沸器支撐鋼結(jié)構(gòu)的真實(shí)模擬，對(duì)比了在純管道模型和鋼結(jié)構(gòu)-管道復(fù)合模型中3個(gè)管口的載荷變化，可以看出在引入鋼結(jié)構(gòu)的模擬后，設(shè)備管口的載荷得到了大幅改善，結(jié)果更趨于真實(shí)情況，缺點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)的模擬過程比較繁雜，會(huì)增加工作量，不利于工作效率的提升，所以給出以下建議：

表4　L3工況管口載荷

（1）對(duì)于普通管系，設(shè)備支撐的剛性模擬結(jié)果傾向于保守，但只要能滿足設(shè)備管口的載荷要求，即可采用普通的剛性模擬。

（2）當(dāng)設(shè)備管口受力過大時(shí)，可通過引入鋼結(jié)構(gòu)的模擬，得到更真實(shí)、更有利于管口載荷的結(jié)果，既可以保證管系的美觀也可以節(jié)約材料、節(jié)省投資。

[1]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].2版.北京：中國石化出版社,2010：157.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社, 2004：190.

Influences of Two Simulation Methods of Equipment Support on Nozzle Load

Nie Lei

The purpose of piping stress analysis is to ensure the safety of equipment and pipelines.On this premise, the pipeline aesthetics and economy should be ensured and unnecessary flexible bends should be avoided.The reboiler pipeline is analyzed by CAESARⅡ,the support is simulated with two models,rigid support unit and steel structure unit. The calculation method of the steel structure unit parameters is introduced.The conclusion that using the steel structure support can reduce the nozzle load and save material has been drawn.

Steel structure;CAESARⅡ;Equipment support;Nozzle load

TP 391.9

聶磊 男 1983年生 碩士工程師主要從事化工工程管道應(yīng)力分析工作

2015年7月