楊志堅(jiān) 施少波

摘? 要：文章介紹了將模態(tài)分析應(yīng)用于管道應(yīng)力計(jì)算模型校核的一種新方法。通過(guò)對(duì)示例管道模型的校核結(jié)果表明模態(tài)分析可校核出管道應(yīng)力模型的錯(cuò)誤，保證了管道應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：管道應(yīng)力;模態(tài)分析;模型校核

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ050.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）14-0170-02

Abstract： In this paper， a new method of applying modal analysis to the verification of pipeline stress calculation model is introduced. The verification results of the example pipeline model show that the modal analysis can check the errors of the pipeline stress model and ensure the accuracy of the pipeline stress analysis results.

Keywords： pipeline stress; modal analysis; model checking

引言

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的普及化，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)院所搭建了三維管道設(shè)計(jì)平臺(tái)，將三維管道設(shè)計(jì)軟件、管道應(yīng)力分析軟件有機(jī)集成，并且開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的接口軟件，使得三維管道設(shè)計(jì)軟件中所建立的三維模型可直接導(dǎo)入管道應(yīng)力分析軟件中進(jìn)行計(jì)算分析，例如UE-PSI（長(zhǎng)沙優(yōu)易軟件）、eZPDMS2CII（北京達(dá)美盛軟件）均可實(shí)現(xiàn)三維管道設(shè)計(jì)軟件PDMS模型到管道應(yīng)力分析CAESAR II的單向?qū)攵S管道設(shè)計(jì)軟件CADWORX與CAESAR II由于均由?？怂箍倒鹃_(kāi)發(fā)，更實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)軟件間的無(wú)縫雙向?qū)?由于相應(yīng)的接口軟件省去了管道應(yīng)力分析軟件的建模過(guò)程，大大節(jié)省了管道計(jì)算分析工作所需時(shí)間，極大地提高了工作效率。但是由于軟件是一個(gè)不斷完善的產(chǎn)品，現(xiàn)階段三維管道設(shè)計(jì)軟件模型導(dǎo)入到管道應(yīng)力分析中都存在一些錯(cuò)誤，導(dǎo)致直接導(dǎo)出的模型有錯(cuò)誤不能計(jì)算或者計(jì)算不準(zhǔn)確，需要使用者對(duì)模型進(jìn)行校對(duì)修正后才能得到正確可靠的結(jié)果。

1 管道模態(tài)分析的應(yīng)用

1.1 管道模態(tài)分析的常規(guī)應(yīng)用

管道模態(tài)分析作為一種管道動(dòng)態(tài)分析技術(shù)，通常用于以下分析：

（1）作為管道振動(dòng)治理的輔助手段[3]管道模態(tài)分析可以獲得管道系統(tǒng)的固有特性（頻率和振型），管道振動(dòng)治理只需使得激振頻率避開(kāi)管道系統(tǒng)最重要的前幾階固有頻率，即可以減緩管道振動(dòng)。

（2）作為管道其它動(dòng)態(tài)分析技術(shù)的前提[2]管道模態(tài)分析是管道其它動(dòng)態(tài)分析技術(shù)（諧波分析、頻譜分析等）的前提。

1.2 管道模態(tài)分析用于校核管道應(yīng)力模型

管道應(yīng)力分析通常需要將管道系統(tǒng)與周邊環(huán)境剝離開(kāi)來(lái)，建立可以用來(lái)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。管道系統(tǒng)的邊界往往是接設(shè)備點(diǎn)及自由端。接設(shè)備點(diǎn)常用固定點(diǎn)（常溫設(shè)備）以及帶熱脹位移的固定點(diǎn)（非常溫設(shè)備）進(jìn)行模擬，而自由端則往往模擬成6個(gè)方向均無(wú)約束的端點(diǎn)。除此之外，整個(gè)管道系統(tǒng)不同管系之間都是通過(guò)三通、四通等管部件連接起來(lái)的。

管道模態(tài)分析可以獲得管道系統(tǒng)的固有特性（頻率和振型），通過(guò)對(duì)模態(tài)振型的分析可以來(lái)校核管道的邊界正確性與否。

2 實(shí)例驗(yàn)證

某試驗(yàn)臺(tái)架由一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)和各種輔助系統(tǒng)構(gòu)成，其高加蒸汽系統(tǒng)材料采用20G，介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，設(shè)計(jì)壓力為350℃，設(shè)計(jì)壓力為9MPa。運(yùn)用ASME B31.3-2014[1]規(guī)范對(duì)其相關(guān)管線在承受自重、內(nèi)壓、溫度等載荷作用下的一、二次應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。由三維管道設(shè)計(jì)軟件CADWORX建模后通過(guò)接口直接導(dǎo)至CAESAR II中進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)入后的管道應(yīng)力計(jì)算模型如圖1所示。

2.1 管道應(yīng)力模型（直接導(dǎo)出模型）

如果不對(duì)直接導(dǎo)出模型進(jìn)行詳細(xì)校核，CAESAR II自檢無(wú)致命錯(cuò)誤，可以進(jìn)行計(jì)算，其靜態(tài)分析得到的一、二次應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果分別為75.6%，60.4%，應(yīng)力合格，如表2所示。對(duì)直接導(dǎo)出模型進(jìn)行模態(tài)分析得到管道前5階模態(tài)的頻率如表1所示。

通過(guò)對(duì)模態(tài)分析振型結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)管道應(yīng)力模型邊界進(jìn)行校核。其中第4階頻率2.134所展現(xiàn)出來(lái)的振型如圖2所示，其與真實(shí)設(shè)計(jì)不相符合，因?yàn)榇颂幵O(shè)計(jì)采用三通，不應(yīng)該出現(xiàn)支管脫離主管自由擺動(dòng)的情況。

2.2 管道應(yīng)力模型（直接導(dǎo)出模型修正后）

經(jīng)過(guò)校核，此處錯(cuò)誤是由于技術(shù)人員在CAWORX中管道建模時(shí)疏忽所致，目視檢查模型似乎管道的主管及支管已由三通連接在一起，而實(shí)際上并未連接。而此種與實(shí)際設(shè)計(jì)不符的錯(cuò)誤，CAESAR II計(jì)算自檢不會(huì)報(bào)錯(cuò)。在CAESAR II中將脫開(kāi)的節(jié)點(diǎn)改為三通連接節(jié)點(diǎn)將主管及支管連接在一起就能更正此類(lèi)錯(cuò)誤，對(duì)修正后的直接導(dǎo)出模型進(jìn)行模態(tài)分析得到管道前5階模態(tài)的頻率如表1所示，模型修正后，原有不正確的第4階頻率2.134已經(jīng)消失。

對(duì)修正后的直接導(dǎo)出模型進(jìn)行靜態(tài)分析得到的一、二次應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果分別為75.9%，114.4%，如表2所示，二次應(yīng)力超標(biāo)，后期需要采取相應(yīng)措施對(duì)管道進(jìn)行改造以滿足應(yīng)力要求。從表2可以看出，在其它所有參數(shù)（溫度、壓力、材料等）均一致的情況下，管道應(yīng)力模型的邊界條件對(duì)應(yīng)力結(jié)果有著重大的影響，由三維管道軟件直接導(dǎo)出的管道應(yīng)力模型如果不經(jīng)過(guò)認(rèn)真校核并修正，將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力分析結(jié)果虛假合格，而實(shí)際超標(biāo)的情況，如果誤應(yīng)用于實(shí)際工程將嚴(yán)重影響到管道系統(tǒng)的長(zhǎng)期、安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

本文將模態(tài)分析應(yīng)用于管道應(yīng)力計(jì)算模型的校核中。通過(guò)對(duì)模態(tài)振型的分析可校核出管道應(yīng)力模型中的邊界錯(cuò)誤，從而避免了計(jì)算模型與實(shí)際設(shè)計(jì)不符的情況，保證了管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]ASME B31.3-2014， Process Piping， The American Society of Mechanical Engineers[S].

[2]CAESAR II User Manual， 2017.

[3]陳盛廣，王軍民，陳福江，等.模態(tài)分析技術(shù)在主蒸汽管道振動(dòng)治理中的應(yīng)用[J].第九屆電站金屬材料學(xué)術(shù)年會(huì)，2011：540-543.