復雜管道系統應力分析中的支吊架布置設計

復雜管道系統應力分析中的支吊架布置設計

近年來，我國核電站的快速發(fā)展對核電站的安全可靠性要求越來越高。管道系統在核電站中被廣泛使用。工程實際中,管道應力分析是證明管道在承受與每類工況相關的載荷時,均不發(fā)生某種形式失效的主要途徑之一管道支吊架是管道系統中的一個重要組成部分,它對管道起著承受荷載、限制位移和控制振動等作用針對核電廠復雜管道應力分析中支吊架位置的調整和功能選擇,以有限元分析為基礎,采用專業(yè)的核電廠管道應力分析軟件進行了大量的數值模擬計算,對支吊架進行了布置設計?？偨Y了管道應力分析中支吊架布置設計的過程與方法,并以設計實例分析了復雜管道應力分析中的支吊架布置設計,驗證了該方法的可靠性和有效性。1系統內各設備連接起來管道系統設計的基本過程是:按照系統功能和流程圖的要求,利用管道和管件將各個設備連接起來1.1管道應力分析管道產生應力的因素是多方面的,主要有重力、壓力、壓力脈動、地震、沖擊和熱膨脹等因素。其中,熱膨脹和地震載荷引起的管道應力是管道應力分析所要解決的最主要問題。管道應力分析的目的是為了證明管道在承受與每類工況相關的載荷時,均不發(fā)生某種形式的失效。為了滿足這一要求,對于每一種載荷工況,應遵守規(guī)定的準則級別。1.1.1連吊架和重建結構的作用(1)計算管道的應力并使其滿足規(guī)范的要求,保證管道的自身安全;(2)計算管道對與其相連的設備、儀器的作用力,并使之滿足標準、規(guī)范的要求,保證設備、儀器的安全;(3)計算管道對支吊架和土建結構的作用力,為支吊架和土建結構的設計提供依據,保證支吊架和土建結構的安全;(4)計算管道位移,防止位移過大造成支吊架脫落或管道碰撞,并為彈簧吊架的選用提供依據。1.1.2管道和管道的撞擊(1)管道的地震分析,防止管道在地震中發(fā)生破壞;(2)管道的撞機事件分析,防止管道在撞機事件中發(fā)生破壞;(3)風雪沖擊和流體沖擊分析,防止管道在風雪和流體沖擊載荷作用下發(fā)生破壞。1.2管道的運行狀態(tài)復雜管道系統的應力分析就是要證明管系在承受與各類工況相關的載荷時,均不發(fā)生某種形式的失效。因此,正確地施加各類工況的載荷是關鍵一步。管道系統承受的載荷大致可分為以下四類(1)壓力載荷:可能在幾種不同壓力、溫度組合條件下運行的管道,應根據最不利的壓力溫度組合確定管道的計算壓力;(2)持續(xù)外載:包括管道自身載荷(管子及其附件的重量、管內介質重量、管外保溫的重量等)、支吊架的反力,以及其它集中和均布的持續(xù)外載;(3)熱脹和端點位移:管道由安裝狀態(tài)過渡到運行狀態(tài),由于管內介質的溫度變化,管道產生熱脹冷縮使之變形;與設備相連接的管道,由于設備的溫度變化而出現端點位移,也使管道變形;(4)偶然性載荷:包括風雪載荷、地震載荷、流體沖擊以及安全閥動作而產生的沖擊載荷。1.3重視運行工況的定義管道應力分析過程中,很重要的一步就是確定載荷工況。根據設計標準和規(guī)范確定載荷工況,目前核電廠管道應力分析所使用的標準和規(guī)范主要有美國的ASME標準和法國的RCC-M規(guī)范。文中以RCC-M設計規(guī)范為依據,確定了載荷工況及每類工況所考慮的載荷第一類工況(參考工況):是指管道系統所處的一種狀態(tài),即它處于下面要定義的第二類工況所承受的最嚴重的載荷作用時,由此而確定的不隨時間變化的狀態(tài)。這類工況包括了設計壓力、設計溫度及其它設計載荷。第二類工況(運行工況一):是指管道系統在正常運行期間可能遇到的一種狀態(tài)。包括穩(wěn)態(tài)運行工況及啟動瞬態(tài)、停運瞬態(tài)、由正常運行事件引起的瞬態(tài),例如:緊急停堆、給水泵和循環(huán)水泵停轉、廠外電源喪失、冷凝器真空喪失、控制系統設備失效等。主要考慮的載荷有:作用在部件上的壓力、熱作用及其它設計載荷。第三類工況(運行工況二):是指管道系統在稀有事故情況下所處的一種狀態(tài)。此類工況很少發(fā)生,但在設計時必須考慮,這類工況通常也被稱為緊急工況。所考慮的載荷有:作用在部件上的最大壓力、自重、緊急機械載荷及其它持續(xù)載荷。第四類工況(運行工況三):是指一種極不可能出現的狀況,但對于造成管道安全性的后果應予以考慮、研究,不因此類工況出現的概率太小而不予考慮。這類工況下考慮的載荷有:作用在部件上的最大壓力、自重、其它持續(xù)載荷及事故載荷(如地震DBE或撞機APC)。試驗工況:在規(guī)定水壓試驗期間,設備(包括管道)所處的狀態(tài)。2管道支吊架和支吊架布置管道應力分析中支吊架布置設計是指支吊架位置確定和功能選擇的設計。管道系統的布置包括管道空間走向設計和支吊架布置,其中支吊架布置是管道工程中重要的一部分,管道支吊架布置包括確定支吊架位置和支吊架功能選擇。在設計過程中,對于簡單的管道系統按管道布置導則設計即可滿足設計要求,但對于復雜管道系統則需要借助于有限元法進行管道系統的應力分析,根據計算結果不斷地調整支吊架設計才能達到設計要求。2.1吊架的分類及分類支吊架是承受管道載荷的主要構件,按照其功能的不同,支架可以分成三大類型:導向支架、滑動支架和限制支架;吊架可分為變力吊架、恒力吊架。它們的具體形式如表1所示。2.2支吊架位置的確定在工程實際中,支吊架的布置設計常按一定基本原則進行,核電廠管道支吊架布置設計的總體原則是:(1)盡量應用標準支吊架,有利于制造、安裝,降低成本;(2)簡化設計;(3)重量要輕;(4)錨固支架盡量少;(5)安裝時減少焊接工作量;(6)所需空間要小;(7)便于施工和維修。在復雜的管道系統中,支吊架位置的確定與功能選擇主要受到下列因素影響:管道自身重力、閥門和組件的重力、管道熱膨脹、錨固點位移、內部或外部激勵載荷、環(huán)境溫度及支吊架制造和安裝。支吊架布置設計的過程為:(1)根據管道的口徑、壁厚和在線組件的重量初步確定支吊架的位置和所約束的自由度數;(2)計算在壓力和熱載荷作用下的管道系統變形,根據變形情況調整支吊架的位置和約束情況,即,通常是在熱脹位移小的位置布置支吊架和施加約束,在熱脹位移大的位置釋放約束;(3)計算在地震載荷、重力載荷、溫度載荷與壓力載荷共同作用下的管道系統,在地震位移較大的位置布置支架和約束。重復計算,研究管道應力、支架反力及特殊點的位移。如果管道系統應力分析不能滿足規(guī)范要求,則需要對支吊架的位置和功能進行局部調整。當多次調整后仍不能滿足規(guī)范要求,則有必要修改管道走向,然后重復上述過程,直到滿足規(guī)范要求。3復雜管道應力分析單元的數值模擬計算案例核電廠中,管道數量繁多且較復雜。文中以某核電廠某系統的一個管道應力分析單元為例,以管道應力計算的專業(yè)軟件為平臺,采用有限元方法進行數值模擬計算,對復雜管道系統中支吊架進行了布置設計3.1小管道系統的三維模型計算模型中的基本參數:材料為不銹鋼TU42C,大管道公稱直徑700mm,管道壁厚12.5mm,總長度約43m,保溫層的線密度為0.560N/mm;小管道公稱直徑400mm,管道壁厚8.0mm,總長度約25m,保溫層的線密度為0.317N/mm;管內流體均為水,計算溫度90℃,壓力為4bar,抗地震等級為2級。管道系統的三維模型如圖1所示。計算的有限元模型見圖2,共劃分134個單元,節(jié)點數為135。3.2支架位置的確定通過數值模擬計算,設計結果見表2～5和圖3。該模型中支吊架布置設計的難點在于熱膨脹載荷和地震載荷作用下的支吊架布置和功能選擇。在熱脹載荷作用下,大管道和小管道的熱脹位移方向不一致,很容易使三通成為應力危險點。另一方面,由于大管道的豎直段較長,增加了考慮重力和地震載荷時的設計困難。以上兩個方面是在設計中重點關注的。從管道的走向和幾何尺寸,可以比較容易地確定支架1,2,3,4,11,12,13,15的功能類型為LG由于支架4在靠近三通處,處于敏感區(qū),其位置需要在計算中不斷調整,其余幾個LG類型支架的位置都可以直接確定。確定以上支架以后進行計算,輸出圖3中編號為5～10與14處的位移,計算結果見表2,3,同時,得到支架3承受的重力載荷為163.3kN;支架4承受的地震載荷為223.5kN,該力來自大管上面水平段的地震沖擊。從表3可以看出,應力比值遠超出了設計標準和規(guī)范的要求,沒有達到設計目的,需要設計其它支架。由于支架3承受的重力載荷太大,需要在編號5的位置設計一個支架,為了解決重力和熱脹的矛盾,將支架5設計成彈簧吊架。分析表2的計算結果,支架6設計為軸向和橫向約束,可以解決支架4地震力過大的問題,支架7為承重支架;支架8處的水平地震位移很大,可將支架8設計為橫向約束;支架9處的水平熱脹位移較大,設計為承重支架;支架10處的水平熱脹位移小,地震位移大,設計為橫向約束支架;支架14處的軸向和豎直方向的位移較大,設計為軸約束和豎直約束的支架。支架6～10和14的設計,很好地解決了大管道重力、熱脹和地震載荷之間的矛盾。計算的應力比值和支吊架反力都滿