孫 浩

（中國原子能科學(xué)研究院）

管道支架是指用于地上架空敷設(shè)管道支承的一種結(jié)構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于核工程、化工及石油等領(lǐng)域。 按照支架功能可分為固定支架、滑動支架、導(dǎo)向支架及彈簧支架等。 管道支架及其所支撐的管道，需要承受自重、壓力、熱膨脹及地震等多種復(fù)雜荷載，支架的機械完整性直接關(guān)系到管道的安全運行。

袁鋒等采用能量平衡方法，對核輔助管道的防甩支架進行力學(xué)分析，結(jié)果表明其應(yīng)力滿足規(guī)范要求［1］；梁向東等以核電站特殊框架式防甩擊支架為研究對象，基于能量法分析支架的吸能性能，評定其應(yīng)力強度，并給出支架的最優(yōu)改進方案［2］；王驥驍?shù)然诤思壒艿乐Ъ艿牧W(xué)分析，有針對性地提出非標(biāo)支架優(yōu)化設(shè)計方案［3］；陳麗華和王志成對三連桿恒力彈簧吊架進行力學(xué)分析，得到彈簧力與回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，并利用有限元方法得到回轉(zhuǎn)臂不同轉(zhuǎn)角下的應(yīng)力分布規(guī)律［4］； 馬兆國和吳春明采用理論分析與實踐案例相結(jié)合的方法，分析管道彈簧支吊架的選型［5］；王敏等針對某支吊架管夾的斷裂失效，研究其斷裂機理，分析裂紋對管夾關(guān)鍵位置應(yīng)力分布的影響，并對管夾進行優(yōu)化設(shè)計［6］；李海龍等運用有限元分析軟件，對重型雙孔管夾進行應(yīng)力分析與評定［7］。

管道固定支架約束管道3個方向的線位移和3個方向的角位移， 在管道力學(xué)分析時常被確定用于解耦兩個管系，其承載力尤為重要，工程計算方法是常用的校核方法。 為此，筆者結(jié)合有限元方法與評定規(guī)范，創(chuàng)建簡化評定計算表，繼而提出一種管道焊接固定支座的簡化計算方法。

1 工程計算方法

某電廠管道固定支架采用焊接固定支座與管道連接，其結(jié)構(gòu)外形如圖1所示，規(guī)格尺寸為D=89 mm、Do=80 mm、s =4.5 mm、H =200 mm、k =4.5 mm。 支架設(shè)計規(guī)范為ASME規(guī)范核2級，固定支座的材料與管道的相同，焊縫采用全焊透坡口焊。

圖1 焊接固定支座結(jié)構(gòu)示意圖

支架選型時，需校核支承力Fz、綜合力Fxy和綜合力矩M值，具體的計算公式為：

圖2為A類工況下焊接固定支座許用荷載（B類工況下的荷載是A類工況的1.15倍，C類工況下的荷載是A類工況的1.33倍，D類工況是A類工況的1.50倍）。 該工程計算方法的優(yōu)點是操作簡單——若荷載均小于許用值則滿足設(shè)計要求，不足是偏保守——當(dāng)單方向的荷載超出許用值后，即判定不滿足設(shè)計要求。 目前，工程中已廣泛采用有限元分析方法與ASME規(guī)范給出管道支撐件的評價準(zhǔn)則。

圖2 A類工況下焊接固定支座許用荷載圖

2 簡化力學(xué)分析方法

2.1 評定規(guī)范

基于ASME規(guī)范（NF3650）要求列出支承件在設(shè)計和A級使用時的應(yīng)力限制條件為：σ1≤1.0S，σ1+σ2≤1.5S （σ1為薄膜應(yīng)力，σ2為彎曲應(yīng)力，S為許用應(yīng)力）。 因焊縫采用全焊透坡口焊，根據(jù)規(guī)范要求，其許用應(yīng)力與母材相同，故無需特殊計算。

2.2 有限元模型

以DN80 mm管道焊接固定支座為例，管道的內(nèi)壓為0.2 MPa。 利用ANSYS有限元分析軟件，通過SOLID186（高階3D20節(jié)點實體單元）單元建模（圖3），為了減少局部效應(yīng)的影響，母管的長度取為800 mm；模型中有兩個母管端面，為了方便荷載的施加，在母管軸線與固定支座軸線的交點處建立兩個荷載作用點（幾何位置重合，分別命名為荷載作用點1、荷載作用點2），兩作用點與接管端面分別建立剛性單元。

圖3 焊接固定支座有限元模型

2.3 應(yīng)力分析

選取固定支座的危險截面，結(jié)合容器的實際計算結(jié)果，選取兩個危險截面，分別命名為A和B（圖4）。 路徑劃分的數(shù)量與危險截面上實際模型的節(jié)點數(shù)量有關(guān)，在危險截面上將壁厚方向所有的節(jié)點路徑無遺漏地全部建立評定，此方法將人為的路徑選取評定工作，簡化為機械式的命令流操作，在保證計算結(jié)果無遺漏的前提下，既能準(zhǔn)確得到各應(yīng)力分量的數(shù)值，又能大幅提升工作效率。 在本算例的網(wǎng)格劃分時，設(shè)置每個危險截面上內(nèi)壁與外壁有360對節(jié)點，相應(yīng)劃分出360條路徑，截面A的路徑位置在管座與母管的焊接處；截面B的路徑位置在管座的根部。

圖4 固定支座的危險截面

在兩個荷載作用點分別施加3個方向的單位力（1 kN）和3個方向的單位力矩（1 kN·m），其中z方向為沿著管道軸向，y方向為沿著固定支座指向母管，x方向由右手螺旋定則確定。其中Fx1、Fy1、Fz1、Mx1、My1、Mz1為施加在荷載作用點1的3個方向上的力和力矩；Fx2、Fy2、Fz2、Mx2、My2、Mz2為施加在荷載作用點2上的3個方向上的力和力矩。按照采用ASME規(guī)范的第Ⅲ卷NF篇評定規(guī)則， 輸出應(yīng)力結(jié)果為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力絕對值的最大值，A、B兩個截面所有路徑上的應(yīng)力結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 單位荷載在截面A上各路徑線性化后的結(jié)果

圖6 單位荷載在截面B上各路徑線性化后的結(jié)果

在母管內(nèi)壁施加單位壓力（1 MPa），輸出單位壓力荷載，每個危險截面上每條路徑的計算結(jié)果。A、B危險截面上所有路徑的應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。

圖7 管道內(nèi)壓荷載在截面A、B上各路徑線性化后的結(jié)果

在管道焊接固定支座模型上，輸出每個荷載作用下（包括兩側(cè)管道支架荷載、管道內(nèi)壓荷載，共13個荷載），每個危險截面的應(yīng)力分析結(jié)果，并組建成荷載應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)庫。 相同模型的固定支座（包括幾何尺寸、材料）的單位荷載應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)庫是一致的。 因篇幅所限，僅列出有代表性的兩個危險截面，工程實踐時可根據(jù)具體情況選取多個危險截面。

2.4 結(jié)果評價

根據(jù)2.1節(jié)的評定規(guī)范要求，調(diào)用荷載應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建簡化評定計算表，根據(jù)每個實際管道荷載的大小， 縮放單位荷載的計算結(jié)果，將13組荷載的計算結(jié)果絕對值疊加，并根據(jù)評定規(guī)范添加評定限值，通過計算應(yīng)力值與評定限值的大小關(guān)系，判定計算結(jié)論。

此方法的優(yōu)點為僅針對一個標(biāo)準(zhǔn)化的管道焊接固定支座模型開展建模加載計算工作，得到一個與之匹配的單位荷載作用下的應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)庫，在針對相同結(jié)構(gòu)、不同荷載的情況下，可實現(xiàn)批量計算，操作方便且效率高。

3 計算方法對比

針對2.2節(jié)的算例，采用工程計算方法，依據(jù)Fxy的許用荷載3.4 kN、Fz的許用荷載21.5 kN、M的許用荷載0.8 kN·m［8］，選取10組超出限制的荷載組合， 表1列出每組荷載中荷載與許用荷載的比例。

表1 各組荷載與許用荷載的比例 %

采用簡化力學(xué)分析方法和有限元分析方法，針對以上10組管道支架荷載開展力學(xué)計算，應(yīng)力比結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 截面A上每組荷載的應(yīng)力比

4 結(jié)果分析

對比圖5～7的數(shù)據(jù)可知，采用簡化計算方法：單位荷載作用下，各路徑線性化后的應(yīng)力結(jié)果具有對稱性，這與結(jié)構(gòu)的對稱關(guān)系一致；力矩產(chǎn)生的應(yīng)力結(jié)果要大于力產(chǎn)生的應(yīng)力結(jié)果，說明單位力矩對此結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果影響較大；壓力荷載對靠近母管的A截面的應(yīng)力結(jié)果影響大于固定支座根部B截面的應(yīng)力結(jié)果影響。

對比圖8、9的數(shù)據(jù)可知， 針對超出工程評價方法的10組荷載，采用簡化力學(xué)分析方法和有限元分析方法的計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，說明工程計算方法余量較大；簡化力學(xué)分析方法的應(yīng)力結(jié)果均大于有限元分析方法的應(yīng)力結(jié)果，這是由于簡化計算方法采用應(yīng)力結(jié)果當(dāng)量疊加，使得最終的計算結(jié)果難免存在一定的保守性，有限元詳細計算方法采用應(yīng)力場矢量疊加，相對更精確。

工程計算方法只校核管道焊接固定支座的合力，針對一側(cè)管道力非常大，另一側(cè)管道力非常小的情況未做討論，而且內(nèi)壓荷載帶來的影響也未做討論。 簡化力學(xué)分析方法和有限元分析方法針對以上情況均有考慮，因而計算結(jié)果比工程方法更加準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

筆者針對某項目管道焊接固定支座提出一種簡化力學(xué)分析方法，并結(jié)合工程方法和有限元方法對比分析，論證其保守性，可為解決此類工程問題提供借鑒。