張全江，王浩祥（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

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蒸汽管道直埋轉(zhuǎn)架空段的應(yīng)力分析

張全江，王浩祥（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

本文使用管道應(yīng)力分析軟件CeasarⅡ?qū)φ羝艿乐甭褶D(zhuǎn)架空段進行了建模計算，探討了直埋蒸汽管道及旋轉(zhuǎn)補償器的建模方法，校核了管道應(yīng)力，同時也比較了將蒸汽管道鋼套鋼直埋部分簡化為工作鋼管架空進行建模計算的結(jié)果，驗證了這種簡化計算的可靠性。

CaesarⅡ；直埋蒸汽管道；鋼套鋼；旋轉(zhuǎn)補償器；應(yīng)力分析

1　引言

在工業(yè)管道設(shè)計中，應(yīng)力分析是重點及難點，彎頭、三通等位置的應(yīng)力超標(biāo)會導(dǎo)致管道破壞釀成事故。CaesarⅡ是工程設(shè)計中應(yīng)用較多的管道應(yīng)力分析軟件，它可以對架空或直埋管道、各類支吊架及補償器等進行建模及應(yīng)力計算，幫助解決各類較為復(fù)雜的管道應(yīng)力核算及優(yōu)化設(shè)計問題。

本文將選取供熱工程中較為常見的鋼套鋼蒸汽管道直埋轉(zhuǎn)架空段進行建模分析，使用CeasarⅡ的土壤模型對直埋部分進行模擬，使用雙線性剛度模型對旋轉(zhuǎn)補償器進行模擬，對該管段進行應(yīng)力分析。

2　案例概述

圖1　工程案例示意圖

圖1所示為一段DN600蒸汽管道的平面示意圖，虛線和實線部分分別代表直埋和架空部分，直埋部分管道結(jié)構(gòu)為工作鋼管-保溫層-外護鋼管 （即鋼套鋼預(yù)制保溫蒸汽管道），架空部分管道結(jié)構(gòu)為工作鋼管-保溫層-鍍鋅鐵皮外護層。工作鋼管材質(zhì)均為20#鋼，設(shè)計壓力為2.42MPa，設(shè)計溫度為300℃，直埋管道外護鋼管材質(zhì)為Q235B，設(shè)計溫度為50℃，旋轉(zhuǎn)補償器工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩為63.2kN·m，管道初始安裝溫度為20℃，D處出地點管道高差為5m，直埋管道管頂覆土深度為1.4m，E點管道高差為2.36m。

本次應(yīng)力分析的目的是校核鋼套鋼直埋蒸汽管道工作管彎頭B、C的應(yīng)力是否超標(biāo)，求出D點的熱膨脹位移以及計算固定支架A、F的受力大小。

3　建模及應(yīng)力計算

3.1基本數(shù)學(xué)模型

3.1.1雙線性剛度模型

圖2　雙線性剛度模型示意圖

如圖2所示，雙線性剛度模型表示了載荷與相應(yīng)位移的關(guān)系，即在作用力未達到屈服載荷時剛度為K1，超過屈服載荷時剛度為K2。雙線性模型可以模擬彈性-塑性變形過程及靜摩擦-動摩擦轉(zhuǎn)換過程所對應(yīng)的載荷及位移情況，是土壤約束和旋轉(zhuǎn)補償器力矩建模的理論基礎(chǔ)。

3.1.2土壤模型

CaesarⅡ軟件中土壤模型的理論依據(jù)是直埋管道受熱伸長時與周圍土壤發(fā)生彈性-塑性變形過程，轉(zhuǎn)換的臨界點為最大土壤約束，這是對真實情況土壤約束下載荷-位移曲線的簡化模型。

根據(jù)實際情況，軟件中的土壤模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　土壤模型參數(shù)設(shè)置表

3.2蒸汽管道的建模

3.2.1管道的建模要點

圖3　管段模型圖

圖3為管段建模后的管段模型圖，可以看出直埋部分已經(jīng)被施加了土壤約束。該管段的建模有如下幾個要點：

（1）鋼套鋼管道關(guān)聯(lián)節(jié)點的設(shè)置：CeasarⅡ軟件中關(guān)聯(lián)節(jié)點用Cnode表示，例如鋼套鋼直埋蒸汽管道內(nèi)固定支架處，工作鋼管A點和外護鋼管A′點由內(nèi)固定支架焊接在一起，軟件中工作鋼管A的Cnode便需輸入A′的節(jié)點編號，以表示他們是連在一起的。

（2）彎頭曲率半徑的設(shè)置：彎頭曲率半徑會直接影響到其應(yīng)力大小，鋼套鋼預(yù)制直埋蒸汽管道彎頭中，工作鋼管彎頭為R=3D，外護鋼管彎頭為R=1.5D，而架空管道采用R=1.5D的工作鋼管現(xiàn)場進行焊接施工。

（3）管道出地點的外護管設(shè)置：圖1中出地點D的蒸汽管道外護鋼管需擴大型號，為工作鋼管熱伸長提供空間，擴大管的規(guī)格由熱伸長長度選取。

3.2.2旋轉(zhuǎn)補償器的建模要點（見圖4～6）

旋轉(zhuǎn)補償器結(jié)構(gòu)如圖4所示，它通過內(nèi)管和外管的相對旋轉(zhuǎn)來吸收管道的伸長，內(nèi)外管之間通過密封填料來接觸。旋轉(zhuǎn)補償器應(yīng)力分析的核心是轉(zhuǎn)矩的建模，其在旋轉(zhuǎn)過程中密封填料與內(nèi)外管之間為動摩擦-靜摩擦受力，因此CaesarⅡ軟件中可使用雙線性剛度模型來模擬。如圖5所示，內(nèi)管的G、H點分別與外管的G′、H′點為關(guān)聯(lián)點，內(nèi)管和外管之間的重疊部分為G-H與G′-H′段，為了模擬旋轉(zhuǎn)補償器的轉(zhuǎn)矩，需在G和H點設(shè)置RY2雙線性剛度約束來進行轉(zhuǎn)矩的建模，使剛度K1為無窮大，K2為無窮小，轉(zhuǎn)矩按照旋轉(zhuǎn)補償器產(chǎn)品手冊中的工作轉(zhuǎn)矩來取值，為了更貼近實際情況，可在G-H段設(shè)置產(chǎn)品的重量。建立好的旋轉(zhuǎn)補償器模型見圖6。

圖4　旋轉(zhuǎn)補償器結(jié)構(gòu)圖

圖5　旋轉(zhuǎn)補償器模型示意圖

圖6　旋轉(zhuǎn)補償器模型圖

3.3直埋部分簡化后的建模

圖7　直埋管道簡化為架空管道模型圖

鋼套鋼直埋蒸汽管道的建模較為繁瑣，因其需要建立外護管并使用埋地模型，為了簡化分析，將外護管內(nèi)支撐工作管的滑動支架、阻擋支架及固定支架等效為對應(yīng)的工作鋼管架空支架，全部按架空管道進行建模并對比應(yīng)力計算結(jié)果。如圖7為簡化后的模型圖，可見取消了直埋管道外護管以及土壤約束。

4　結(jié)果分析

圖8　旋轉(zhuǎn)補償器變形圖

圖8所示為工作狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)補償器變形圖，深色為變形后的位置示意，可見直埋管段工作管受熱伸長使旋轉(zhuǎn)補償器發(fā)生了角位移（如表2）。

表2列出了部分節(jié)點的應(yīng)力計算結(jié)果（節(jié)點代號同圖1），可見B及C處直埋管道工作管彎頭在工作狀態(tài)下的二次應(yīng)力處于該溫度下許用應(yīng)力的35～40%，這表示彎頭應(yīng)力符合安全要求。工作管受熱伸長，使D處產(chǎn)生320mm的軸向位移，推動豎直管道使旋轉(zhuǎn)補償器發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)補償器工作轉(zhuǎn)矩下固定支架的受力如表2中所示。

表2　應(yīng)力計算結(jié)果表

直埋鋼套鋼蒸汽管道的工作管是由外護管中的內(nèi)滑動支架支撐，因而在伸長過程中軸向受內(nèi)滑動支架對它的摩擦力，這與架空蒸汽管道受力的原理一致。表2也列出了將直埋鋼套鋼蒸汽管道簡化為工作管架空進行建模計算的結(jié)果，可見各節(jié)點的受力及位移與不簡化建模所得出的結(jié)果相差無幾，這些細微的差別主要是由于直埋鋼套鋼蒸汽管道外護管受到土壤約束所導(dǎo)致的，因此簡化建模對應(yīng)力分析結(jié)果影響很小。

5　結(jié)論

使用CaesarⅡ軟件對蒸汽管道進行應(yīng)力分析具有簡便、直觀、可靠的特點。本文利用該軟件的土壤模型及雙線性剛度模型對直埋鋼套鋼蒸汽管道轉(zhuǎn)架空段進行了建模分析，核算了彎頭應(yīng)力并求出了旋轉(zhuǎn)補償器工作狀態(tài)下管道熱伸長量及固定支架所受的軸向推力。對于直埋鋼套鋼蒸汽管道，可將工作管簡化為架空管道來計算受力，這樣也可以獲得較為準(zhǔn)確的受力分析結(jié)果。

［1］喬正凡.直埋蒸汽管道彎頭應(yīng)力分析與支座設(shè)置［J］.煤氣與熱力，2015，35（5）：10～13.

［2］《動力管道設(shè)計手冊》編寫組［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2006：558～562．

張全江（1989-），男，助理工程師，碩士，主要從事集中供熱、動力工程相關(guān)設(shè)計工作。王浩祥（1992-），男，助理工程師，碩士，主要從事集中供熱、暖通空調(diào)相關(guān)設(shè)計工作。

TU995.3

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2095-2066（2016）17-0243-02

2016-6-1