（机械工程专业论文）充sf6气体800kv+gis母线管道强度分析研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 充 s f 6 气体8 0 0 k vg i s 母线管道强度分析研究 机械工程 蔡强( 签名) 樊玉光( 签名) 周三平( 签名) 锄岩 一r 乡多 要 i i i i i i if i i i i ii i ii i i im i ii i i i i iiiii i y 2 2 6 4 8 9 4 8 0 0 k vg i s 母线管道是g i s 中用于封闭开关设备的封闭铝材料管道壳体，该设备是 7 5 0 k v 变电站的重要装备之一。由于设备体积大，相间距大等特点，母线往往很长。且 变电站一般建在高海拔、环境条件苛刻的地区，温差载荷很大，长母线会产生较大的变 形，且其内充满的s f 6 气体，不允许泄露。因此有必要对其机械强度进行分析计算，但 国内尚未对此进行过强度分析研究。 本文以充满s f 6 气体的8 0 0 k vg i s 母线管道为对象，通过结构分析，载荷确定，选 取m 1 母线和m 2 支线两种典型结构，利用c a e s a r i i 管道应力有限元法计算分析了极 限条件下工程模型中各关键节点的机械特性，并重点进行了应力、变形及强度失效分析。 通过计算和分析知，g i s 长母线管道两端垂直管道与接地母线法兰连接附近最危险， 母线管道处局部区域受力和应力过大。原因是水平管道的水平轴向力很大，建议改变最 左端和最右端的结构。g i s 母线管道的中间支架受力较小，可以考虑减小固定支架的尺 寸。可以通过改变h 型钢的布置方法以及加大其沿管线方向的宽度尺寸来提高支架主要 承载方向的刚度和强度。 g i s 支线通过改变结构，在弯头处设立固定支架后，提高了壳体抵抗变形的能力， 支线两端固支的上、下端弯曲应力明显下降，螺栓应力下降。为减小整个管道壳体和支 架上的的受力，还可以采取放松长轴方向的波纹管，使膨胀节发挥作用，吸收管道温差 变形，减少两端固定支架处受力。 影响充满s f 6 气体8 0 0 k vg i s 母线管道机械强度的主要因素是典型结构的组成和温 差，温差大的季节管道的机械强度低。通过典型结构和温差的优化调整可以减少载荷和 应力的最大值，改善管道的安全性能。 关键词：g i s 母线；g i s 支线；管道；强度；分析 论文类型：应用基础研究 英文摘要 s u b je c t ： s t r e s sa n a l y s i so f8 0 0 k vd i sb u sp i p e l i n ef i l l e dw i t hs f 6 s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： c a iq i a n g i n s t r u c t o r ：f a ny u g u z h o us a n a b s t r a c t 1 8 0 0 k vg i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ) b u sp i p e l i n ei so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so f 7 5 0 k vt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nw h i c hu s e dt os h i e l dt h es w i t c h e si ng i s i ti sf e a t u r e dw i t h b u l k yv o l u m ea n dl o n gg e n e r a t o r s p e c i a l l y , t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n su s u a l l ya r ec o n s t r u c t e di n h a r s he n v i r o n m e n t sw i t hh i 曲a l t i t u d e ，b i gr a n g eo ft e m p e r a t u r e t h es f 6f i l l e di nt h eg i sb u s p i p e l i n em u s th a v en or e v e l a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i c a l s t r e n g t ho ft h eb u sp i p e l i n e ，w h i c hi sab l a n ki nd o m e s t i c b a s eo nt h es t r u c t u r ea n a l y s i so ft h e8 0 0 k vg i sb u sp i p e l i n ea n dd e t e r m i n a t i o no fl o a d a c t i n go ni t ，b yt h ef e as o f tw a r ec a e s a r i i ，t h es t r e s s ，d e f o r m a t i o na n ds t r e n g t ha n a l y s i s a r ec a r r i e do u tt ot h es t r u c t u r eo fg e n e r a t o rm 1a n db r a n c hm 2 t h er e s u l t si i n p l yt h a tt h em o s t d a n g e r o u sl o c a t i o ni st h ej o i n tz o n eo f t h el o n gg i sb u sp i p e l i n eb o t he n d sw i t hf r a n km o u n t e d t ot h ef l o o r , a n dt h es t r e s si ns o m ea r e ai st o ol a r g ea n dt h el o a da c t i n go nt h em i d d l es u p p o r t f r a m ei sr e l a t i v el i t t l e t h es o l u t i o n st ot h e s es i t u a t i o n sa r e ：r e d e s i g nt h es t r u c t u r eo ft h eb o t h e n d so ft h eb u sp i p e l i n et or e d u c et h eh o r i z o n t a la x i sl o a da p p l y i n go nt h ep i p e l i n e ，c h a n g et h e a r r a n g e m e mo ft h eh s t e e la n dl e n g t h e nt h es i z ea l o n gt h ea x i so f t h ep i p e l i n et oi m p r o v et h e s t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h es u p p o r tf r a m e a tt h es a m et i m e ，a d ds u p p o r tf r a m ea tt h eb e n d so f t h ep i p e l i n et oe n h a n c et h ed e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo ft h ec a s ea n dr e d u c et h es t r e s so fb o t h e n d so ft h eb r a n c hm 2 a d d i t i o n a l l y , i no r d e rt oi n d u c et h el o a da p p l y i n go nt h ec a s eo ft h e p i p e l i n ea n dt h es u p p o r tf r a m e ，w ec a nr e l e a s et h ec o r r u g a t e dp i p et oa c t i v a t et h ee f f e c to f t h e e x p a n s i o nj o i n tw h i c hc a na b s o r bt h el o a d d e r i v e df r o mt h ec h a n g eo ft h ee n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：g i sg e n e r a t o r ；g i s b r a n c h ；p i p e l i n e ；s t r e n g t h ；a n a l y s i s t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d yf o ra p p l i c a t i o n i i i - 、 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 8 0 0 k vg i s 设备是7 5 0 k v 变电站的重要装备之一，从2 0 0 5 年起在我国西北电网开 始应用。由于设备体积大，相间距大等特点，8 0 0 k vg i s 设备中的母线往往很长。而且 应用8 0 0 k vg i s 设备的7 5 0 k v 变电站一般均建在高海拔、环境条件苛刻的地区，年温差 和日温差经常接近极限，长母线会产生较大的变形，并承受很大的应力，因此有必要对 其机械强度进行分析计算。 g i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ) 六氟化硫封闭式组合电器，就是气体绝缘金属封闭 开关设备，它是将一座变电站中除变压器以外的一次性设各，包括断路器、隔离开关、 接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优 化设计有机地组合成一个整体，并封闭于金属壳内，充s f 6 气体作为灭弧和绝缘介质组 成的封闭组合电器【l j 。8 0 0 k v g i s 长母线管道是g i s 中用于封闭开关设备的封闭金属壳 体。 s f 6 全封闭组合电器的结构决定于所用的组合元件的形式和使用部门的要求，此外 还要考虑到发生大事故后，能很快地把各元件隔离和拆开检修的可能性。变电所或变电 站的主接线一般是单母线或双母线。为了能满足变电所或变电站各种接线方式的要求， 一般将各组成元件生产成独立的气室或气隔，然后根据使用要求进行各种组合，这样还 可以在s f 6 气体大量泄漏时，减少退出运行的元件数目，提高供电的可靠性【2 j 。 g i s 的外壳可以用钢板或铝板制成，独立的气室或气隔应装有防爆膜，以防因内部 故障时产生超压力使外壳破裂，大容量的气室及母线管一般不需要装设防爆膜【3 】。另外 在合适的位置上应装置弹性件如波纹管 4 1 ，以减小温度变化或安装误差所引起的机械应 力，避免使用与地基或构架全部刚性连接的结构，可采取一处刚性连接其它地方采取弹 性连接的复合方式。 1 2 国内外研究现状 近年来，随着我国国民经济的快速发展，石油、化工、电力发展迅猛。管道大量铺 设，特别是高温高压的管道铺设较多，设计水平成为衡量一个设计单位能否在激烈的市 场竞争中获胜的关键，国内外对于管道安全研究非常多，有的方面经验比较成熟。 纪延光等在“电厂主蒸汽管道的寿命评价”论文中讨论了：应用连续损伤力学理论 与有限元法复合的方法，研究开发了电厂主蒸汽管道的寿命评价软件1 5 j 。匡华军等在“温 度对两端固支管道振动特性影响分析”论文中讨论了：采用三种有限元模型和实验的方 法分析了两端固支管道各阶固有频率，选择其中一个较好有限元模型。利用该模型计算 西安石油大学硕士学位论文 了管道在高温下的振动特性。提出了管道设计过程中不仅要在常温下进行振动特性分析， 而且更应该注意对管道在工作温度下的振动特性分析，最终为管道系统的安全性和设计 提供了理论依据【6 】。蔺建文等在“1 2 6 k v 的g i s 母线筒外壳应力分析”论文讨论针对西 开厂和三菱两种母线筒的设计方案，采用应力集中理论和有限元理论分别对简壁开口处 应力较为集中的部分进行了分析计算，两者所得结果基本吻合，为该部件的设计提供了 可靠的理论根据【_ 7 1 。杨洋等在“8 0 0 k v g i s 长母线管道变工况下机械强度分析”论文中讨 论了g i s 管道作为变电站中的重要设备，常常工作于气候环境较恶劣的地区，尤其是北 方冬季s f 6 气体常有泄露发生。针对兰州东部8 0 0 k v g i s 长母线管道机械结构，根据当 地气候温度变化特点确定典型工况，运用c a e s a r i i 管道应力分析软件进行强度分析， 得出应力计算结果，分析泄露原因、部位及相应措施【8 】。 张对红等在“热力架空管道支座的受力分析”论文中，根据热力架空管道和支座的 受力飞情况，结合有限元法和变弹簧系数迭代法，使用有限元迭代法计算管道的位移 和支座的受热力情况。计算结果表明，分析热力架空管道题必须考虑位移的非线性因素， 同时必须考虑步支座摩擦力的影响【9 】。方明等在“管道热应力分析实例”论文中通过对 6 0 0 0 k w 背压汽轮发电机组主蒸汽进汽管设计过程中的应力分析，小结了降低蒸汽管道 热应力的一些办法1 10 】。郭延军等在“支吊架失效与电厂蒸汽管道安全分析 中讨论了 管道支吊架的类型与失效形式，分析了支吊架失效对蒸汽管道及其连接设备安全运行生 产的不利影响，如增加管道应力、降低管道寿命、改变管道对设备的推力和力矩等，并 提出了预防支吊架失效的措施和建议【1 1 1 。姜崴在“压力管道初探”论文中介绍了压力管 道的概念，讨论了压力管道的分类，论述了压力管道应力分析的【1 2 1 。管世强等在“3 0 0 m w 机组汽水管道支吊架调整及管系应力分析”论文中讨论了沙角发电总厂a 5 机组汽 水管道支吊架的运行现状和存在的问题，进行了四大管道管系应力校核计算分析及恒力 弹簧吊架的载荷性能测试。在综合分析的基础上提出了支吊架调整方案，并进行了工程 实施【1 3 】。 傅真真等在“管道工程应力分析与三维设计集成化研究与应用”论文中讨论了应力 分析软件和三维设计软件的集成模式，分析了平面图图形文件结构、三维设计数据库结 构和图形文件中标注元素所包含的内容，详细说明了字符串元素二进制结构，叙述了从 三维设计数据库提取图形实体元素属性及从图形文件中提取图形实体元素坐标的方法。 将工程设计中两个必不可少且相互独立的计算分析软件，即应力分析软件和三维设计软 件，进行了集成化研究，使其在统一的三维设计模型上完成长输管道设计中应力分析与 三维设计工作，从而减少了重复建模【1 4 】。方立等在“用c a e s a ri i 软件进行管道应力计 算的几个问题探讨”论文中说明c a e s a r i i 软件理论性强、同时又是工程性很强的应用 软件，在计算模型的建立时往往需要有一定的工程经验作为依据，作者根据十几年应力 分析的经验，对应力分析建模时的几个方面进行了总结1 1 5 】。刘亚江等在 c a e s a r i i 管道应力分析理论”论文中讨论了管道应力分析主要包括3 方面内容：正确建立模型、 2 第一章绪论 真实地描述边界条件、正确地分析计算结果。所谓建立模型就是将所分析管系的力学模 型按一定形式离散化，简化为程序所要求的数学模型，模型的真实与否是做好应力分析 的前提条件【l6 j 。龙忠辉在论文“c a e s a ri i 管道应力分析软件开发应用”讨论了结合工 程应用实例简要介绍了c a e s a ri i 管道应力分析软件开发应用情况，指出了一些在实际 应用中存在的问题，并提出了相应的建议u 7 。 目前，国内外对于管道应力研究比较多，但是对于g i s 长母线管道安全分析研究属 于空白。我们可以通过其他管道应力研究的结论，结合g i s 长母线管道的实际情况，加 以研究，准备应用具有输入数据简单，图形生成和计算结果直接明了，国际较为流行的 c a e s a r i i 管道应力分析软件作为g i s 长母线管道应力分析软件，进行管道的安全分析 研究。 1 3 题目来源 和西安西电开关电气有限公司的合作项目。 项目题目：8 0 0 k vg i s 长母线管道机械强度计算及分析。 项目编号：h 0 9 0 6 9 。 西安石油大学硕士学位论文 第二章管道强度计算分析基本模型 2 1 母线管道的组成 西安西电开关电气有限公司的8 0 0 k vg i s 设备是其主要的生产设备之一，其中充满 s f 6 气体的8 0 0 k vg i s 母线管道主要由铝管道、波纹管、固定和可动支架及法兰组成的 空心封闭管道【8 】，因为内充一定压力的s f 6 气体，属于典型的压力设备，而且要与断路 器连接，还设有三相支线，各部分的外部轮廓如图2 1 图2 4 所示。所以，对其进行强 度校核分析研究，需综合考虑各个部分组成的系统的模型，详细管道组成结构如图2 5 所示。 图2 - 1 母线管道左侧固定支架 图2 - 3 管道波纹管 4 图2 - 2 支线管道及支架 图2 - 4 母线管道 ?b ? c ? 酎1 a 9b ? c ? 西宁2 c ? b ? a ? 图2 - 58 0 0 k v 内充s f 6 气体g i s ：亡程管道铺设图 西安石油大学硕士学位论文 2 2 管道系统载荷分析 2 2 1 母线管道的载荷 母线管道在室外设置，管道内部有充气压力。管道没有保温措施，安装温度和工作 温度会有较大差异。母线管道承受的机械载荷主要有以下几种。 内压力：p = o 4 m p a ，p = o 5 m p a ( 也进行了计算作参考) ，重力； 支承反力：包括力、弯矩、扭矩等； 安装和工作的温度差异，温差载荷( 产生的各种应力属于二次应力) ； 母线管道在室外设置，可能会有其它风、地震等载荷，但是最大风、地震载荷和温 度最大差异的叠加概率比较小，略去风、地震载荷；本次软件计算和分析中考虑了风、 地震之外的所有其它力。 ( 1 ) 温差参数 当管道受热膨胀或者受冷收缩时，受各种支架及其所连接设备的约束，即变形受阻 而产生热应力。此外，由于管道局部的温度分布不均，轴向及管内外存在温度梯度，也 产生热应力。 管道由于温差产生的应力由下式计算： o=eulat(2-1) 管道工作温度高于安装温度时，温差产生的热应力为压应力，管道工作温度低于安 装温度时，温差产生的热应力为拉应力。本项目母线管道机械强度计算及分析选取6 种 不同温差工况，分别为3 0 7 0 、3 0 3 0 、5 。c 5 5 、5 3 0 、2 0 4 0 、2 0 3 0 。 ( 2 ) 重力的计算 表2 1 材料密度及牌号 重力的计算根据材料的密度进行。根据表2 1 中密度值与现场各个部件的体积可计 算出各段的重量，其中母线壳体密度为1 7 5k 咖，套管重量为3 5 吨。 ( 3 ) 固支和简支条件 6 第二章管道强度计算分析基本模型 根据现场实际工况，管线的支撑形式有固定支撑和滑动支撑两种形式( 见图2 6 ) 。 固定支撑与管道接触点既有水平方向的约束又有竖直方向的约束，而滑动支撑只有竖直 方向的约束，当摩擦力很小时，可以忽略其对管道的水平方向的约束。软件计算中考虑 了摩擦轴向力。 2 2 2 基本计算模型 图2 - 6 现场管线的滑动支撑和固定支撑 ( 1 ) 内压作用 内压p 下直径d 、厚度6 的管道受到两个方向应力： 环向( 周向) 应力： = 万p d ( 2 - 2 ) 轴向应力： 吼：罢：一1 ( 2 - 3 ) 仃2j 万2 2 盯口 在内压作用管道会产生轴向合力( 膨胀节盲板力) 作用于固定支座或管线端部。 内压作用下，管道会产生轴向、环向变形： 环向应变： = ( 一) ( 2 - 4 ) 计算中不考虑； 轴向应变： 占= i 1 ( 盯一盯口) 计算中考虑。 ( 2 ) 温差作用 自由变形下温差产生轴向应变：气= 口a t 自由变形下温差产生轴向变形：缸= 气三= 口a t xl ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 西安石油大学硕士学位论文 对于铝材管道口= ( 2 2 2 4 ) x 1 0 6 ，每1 0 米& 为1 0 时，址为2 m m 左右： 对于钢材管道仿= 1 1 x 1 0 6 ，每1 0 米为1 0 时，址为l m m 左右。 两端受固定刚性约束温差应力： 仃，= 口e ， 与长度和直径无关。 对于铝材料，口e = i 6 3 即盯址= 1 6 3 出【m p a 对于钢材料，口e = 2 2 即盯出= 2 2 a t 【m r a ( 3 ) 载荷产生的弯矩 重力在管道会产生弯矩，轴向力在弯曲的管道也会产生弯矩。 弯矩有：垂直方向弯矩，重力可以产生。平面内弯矩，内压和温差产生的轴向力可 以产生。 1 ， 弯矩在管道横截面产生轴向应力：仃= i v ( 2 8 ) 彤 轴向应力沿管道横截面轴线线性分布，上下最大，中间为零； 对于连续支承架，重力在管道产生的弯矩，最大弯矩在支座处。 ( 4 ) 载荷产生的扭矩 各种轴向力在弯曲的空间管系可能产生扭矩。 扭矩在管道横截面产生剪力，在管道横截面产生剪应力。 ( 5 ) 支座力、重力产生剪力 支座力、重力在管道横截面产生剪力，剪力在管道横截面产生剪应力，管道横截面 轴线中间的剪应力最大。 ( 6 ) 各种载荷的组合 管道壳体上的受力如图2 7 所示，在沿管线z 方向上有内压产生的轴向力的作用和 由温差产生的弯矩的作用，由轴向力产生的应力与弯矩产生的应力进行叠加，如图2 7 ， 最大的应力将产生在a 点。 z y f x a b 图2 7 管道横截面受力分析示意图 第二章管道强度计算分析基本模型 而实际上管道除主要受以上外力之外，还承受管道在垂直y 方向上的重力产生的切 应力和管道在径线方向上有内压产生的环向应力，即a 点为三向应力状态点，将a 点作 为单元体取出，受力如2 8 所示。 图2 - 8 管道横截面上a 点单元体受力分析图 2 2 3 受力下管道强度安全判据 1 受内部压力、重力和温差载荷的管道内部各点受各种应力( 环向、轴向正应力、剪 应力) ，而且各种载荷产生的应力特点不同( 一次应力，温差二次应力) 。 这些应力如何组合，组合后如何判定管道的强度安全性，通常按照现在的工程规范 进行。一般情况下，环向应力的最大值不得大于材料的许用应力。其他应力采用组合的 方法限制。 在管道应力计算中一些载荷和应力的计算将被简化。美国大多数管道规范标准要求 应力计算时用以下公式： 轴向应力：仃。= f “4 。+ p d o 4 万+ m 6 z( 2 - 8 ) 剪切应力：f = m ，2 z( 2 9 ) 周向应力：= p d o 2 万( 2 1 0 ) 其中：f a x - 一轴向力； a m 管道横截面积； d o - 管道外直径； m 卜弯矩； i 抗弯截面模量： m t _ 扭矩。 为了有效地评定管道的应力，通常不是直接采用上述的几种管道基本应力，而是采 西安石油大学硕士学位论文 用相对于“标准”的应力。“标准”应力的计算是基于特定的方程式，这些方程式是经过多 年的权衡和简化而得来的。值得注意的是，标准委员会的惯例是每一部标准都是从不同 角度考虑，综合权衡得来的结果，因此，每部标准规范给出不同的应力计算结果。 在工业管道行业中，尤其是化工厂和石油管线通常遵照美国设计标准a s m eb 3 1 3 a s m e 压力管道规范b 31 工艺管道来计算校核，该标准中按照持续应力、热胀应力 ( 温度温差应力) 、偶然应力给出了管道应力评定的依据【18 1 。 a 持续应力 a s m eb 3 1 3 要求由于重力和压力所引起的轴向应力不超过i 仃i ， 盯l = f a x 4 。+ m n ) 2 + ( i o m 0 1 ) 2 】l ，2 z + p d o 4 d b 】 ( 2 1 1 ) 其中：f a x _ 一由于持续( 一次) 载荷( 压力、重力) 产生的轴向力； m i l 由于持续( 一次) 载荷( 压力、重力) 产生的平面内的弯矩； m 0 1 由于持续( 一次) 载荷( 压力、重力) 产生的平面外的弯矩； i i ，i 旺平面内、平面外应力增强系数： p _ 内压，m p m d o 一管道外径，m m ； 江管道壁厚，m m ； l 仃i 在热( 操作) 温度下材料的基本许用应力，s h 取下列的最小值： 1 ) 在操作温度下，材料的最终拉伸强度的1 3 ； 2 ) 在室温下，材料的最终拉伸强度的1 3 ； 3 ) 在操作温度下，材料屈服强度的2 3 ( 奥氏体不锈钢为屈服强度9 0 ) ； 4 ) 在室温下，材料屈服强度的2 3 ( 奥氏体不锈钢为屈服强度的9 0 ) ； b 热胀应力 1 盯f ：丛生丝生立二尘d 娶堕羔二螋盯爿：f ( 1 2 5 仃。+ 1 2 5 盯。一盯。) ( 2 1 2 ) 其中：m i 2 由于热胀二次载荷温差产生引起的平面内的弯矩； m 0 2 由于热胀二次载荷温差产生引起的平面外的弯矩； m t 由于热胀二次载荷温差产生引起的扭转力矩； 盯，在冷态( 安装) 温度下材料的基本许用应力。 c 偶然应力 a s m eb 3 1 3 中没有明确定义计算偶然应力的方程，通常要求持续和偶然载荷引起 的轴向应力的总和不应该超过仃。基本许用应力的1 3 3 倍。 2 3 管道强度计算模型 压力管道是由多个管道元件组成的一个具有空问几何形状的管道系统，管系的两端 l o 第二章管道强度计算分析基本模型 又常常受到与其相连设备的约束，管系中间则受管道支架的约束，因此使得管系中各元 件的受力变得复杂起来。 影响管道应力的因素很多，主要有管道的支撑间距、支撑个数、工作压力、工作温 度、管道的材料性能、管道直径和壁厚等。在温度、压力不变时，管道的支撑间距和支 撑个数对管道应力的影响很显著，所以在管道设计中，主要考虑在温度、压力一定时支 撑间距和支撑个数对管道的影响。 2 3 1 固定刚性支架刚度理论计算 计算h 型钢架组合结构的挠度与刚度，分析h 型钢架的受力，母线支撑下固定支架 尺寸如图2 - 9 所示。 妒 每畚 肆 t i，穸 谢 r 聪 可ih i8 疋 l i 啊 r c c 一 l -! c c 卜、 寸 c c r 星 】 s 坠 1 盆7 n 图2 - 9h 型钢桩支架 其横截面为四个h 型钢的组合结构，截面图如图2 - 1 0 所示。 西安石油大学硕士学位论文 jy 0800 l 广n ii 厂1 i ox i l 一 8 ! 0000 图2 1 0h 型钢截面图 根据现场固定支架受轴向推力情况( 如图2 1 1 所示) ，计算h 型钢架在水平推力作 用下的挠度及刚度。 图2 1 1固定支架的受轴向推力简化模型 则由相关计算公式，可得单位水平推力( i n ) 下挠度计算公式为： 舻一蔷口叫) ( 2 - 1 3 ) 最大挠度为： 刃3 ( 0 b2 = 3 e 1 ( 2 - 1 4 ) ( 1 ) 母线下固定支架( 高4 7 m ) 相关计算 a 固定支架 图2 - 3 中任意h 型钢的形心到原点的距离为4 3 5 m m ，图2 4 中l = 4 7 0 0 m m ，由实用 机械工程材料手册查得h 型钢桩的弹性模量e = 2 0 0 g p a ，图2 3 中h 型钢桩的高度为 2 0 0 m m ，宽度为2 0 0 m m ，1 部分厚度为1 2 m m ，2 部分厚度为8 m m ( 由g b t 1 1 2 6 3 查取) 。 h 型钢架截面为上述h 型钢的组合结构，取出一个h 型钢计算其惯性矩的计算，如 图2 1 2 所示。 1 2 第二章管道强度计算分析基本模型 y 1 。 r 3 一 _j 己 l_ x 图2 1 2h 型钢的惯性轴选取 矩形截面的惯性矩计算公式为： i ：丝 ( 2 _ 1 5 ) 1 2 其中卜矩形x 方向宽度； h 矩形y 方向高度： 热轧h 型钢( g b t 1 1 2 6 3 1 9 9 8 ) ，由标准查得单个h 型钢的面积为6 4 2 8 m m 2 ，惯性 矩为i x = 1 6 x 1 0 m 4 ；i y = 4 7 7 x 1 0 q m 4 根据平行移轴定理，单个h 型钢架平移后，其惯性矩为： i 。= i x + 以2 a = 1 2 3 2 x1 0 3 m 4 对于整个固定支架即4 个h 型钢组合后其惯性矩： i = 4 i 。= 4 9 2 8 1 0 3 m 4 代入最大挠度公式( _ 0 b - - 一面f 1 3 可计算出，在水平推力单位力( 1 n ) 作用下固定支架 顶点处的挠度： 绒：一堡：一3 5 11 0 x 一5m l - n缈，= 一= 一 “ j 3 e 1 则水平推力下整个钢架的刚度：k = 二= 2 8 5 1 0 4 n m m 国j g i s 管道的固定支架底部除了受到一定的轴向力外，还受轴向力等产生的弯矩的作 用，计算单位弯矩( 1 n m ) 作用下产生的挠度： 缈t - 一丝：一1 1 2 1 0 一5 m m “ 2 e ， b 可动支架 具体平面结构如图2 1 3 。 西安石油大学硕士学位论文 图2 1 3 可动支撑处的支架截面图 热轧h 型钢( g b t 1 1 2 6 3 1 9 9 8 ) ，由标准查得单个h 型钢的面积为6 4 2 8 n u n 2 ，惯性 矩为i 。= 1 6 x 1 0 一m 4 ；i 。= 4 7 7 x 1 0 5 m 4 。 根据平行移轴定理，对于整个固定支架即2 个h 型钢组合后其惯性矩： i = 2 i x = 3 2 x1 0 。5 m 4 在水平轴向推力单位力( 1 n ) 作用时： 纹：一堡：一5 4 1 1 0 3 i i l l 3 e i 那么其刚度为： k ：旦：1 8 5 1 0 2 n m m 国j 单位弯矩( 1 n m ) 作用时： 国。：一m e 1 2 ：一1 7 3x1 0 - 3m m j 2 e l 由计算可知，固定支架刚度是可动支架刚度的15 0 倍以上，所以在管线机械强度计 算及分析中，前者按固定约束、后者按自由约束。 ( 2 ) 分支线下固定支架( 高2 7 m ) 相关计算 a 固定支架 由热轧h 型钢( g b t 1 1 2 6 3 1 9 9 8 ) 高度为1 5 0 m m ，宽度为1 5 0 m m ，l 部分厚度为 1 0 m m ，2 部分厚度为7 m m ，面积为4 0 5 5 m m 4 ，惯性矩为0 5 6 4 x1 0 5m 4 根据平行移轴定 理，可得： i 。= i 。+ 口2 a = 0 7 7 2 9x1 0 3 m 4 代入最大挠度公式= 一堡3 e i 可计算出，在单位水平推力( 1 n ) 作用固定支架顶点 处的挠度： 吐：一堡：一0 6 9 1 0 5m m j ” j 3 e l 故水平轴向推力下刚度为： k = 二= 9 4 2 5 1 0 4 n m m 国x b 可动支架： 第二章管道强度计算分析基本模型 国，：一堡：一2 9 l 1 0 一4 m m 。 j 3 e l 故水平轴向推力下刚度为： k ：! ：3 4 3 1 0 2n m m 缈j ( 3 ) 套管下方固定支架 由热轧h 型钢( g b t 1 1 2 6 3 1 9 9 8 ) 高度为3 5 0 m m ，宽度为3 5 0 m m ，一部分厚度为 1 9 m m ，二部分厚度为1 2 m m 。面积为1 7 3 9 舢n 4 ，惯性矩为1 3 6 1 0 - 5m ? 根据平行移轴定 理，可得： i 。= i x + 口2 a = 6 8 x1 0 3 m 4 代入最大挠度公式国。：一堡可计算出可计算出，在单位水平推力作用下( 1 n ) 固 代入最大挠度公式2 一蠢可计算出可计算出，在单位水平推力作用下1 n 固 定支架顶点处的挠度为： 国。：堡：1 2 l o 一6 m m “ j 3 e l 故水平轴向推力下刚度为： k ：兰：8 3 3 1 0 5 n m m 2 3 2 固定支架处螺栓计算方法 ( 1 ) 固定支架上端螺栓校核 h 型钢桩支架与管道连接是由8 个螺栓固定，由图2 1 4 可以看出8 个螺栓的排列形 式。 图2 - 1 4 现场螺栓连接形式 螺栓布置示意简图如图2 1 5 所示， 西安石油大学硕士学位论文 y 厂、 飞 吝0 1 o 一 oo l 一 ， 图2 1 5 沿管道方向固定支架上端螺栓分布截面图 螺栓为8 m 3 0 ，如图2 1 0 所示布置，螺栓性能参数为8 8 级，即抗拉强度为8 0 0 m p a ， 屈强比为0 8 ，则屈服强度为6 4 0 m p a ，由g b l 5 0 1 9 9 8 表3 - 2 规定，取安全系数为2 5 ， 则其许用应力p 】f = 盯。：2 5 = 2 5 6 m p a 。 将8 个螺栓作为一个整体进行校核，假设左侧4 个受压，右侧4 个受拉。由平行移 轴公式计算惯性矩得， + 乍f 等+ 0 2 5 5 2 - 孚) x 8 = 3 6 7x1 0 - 4 一 螺栓上由弯矩产生的最大正应力仃宵发生于弯矩最大的截面上且离中性轴最边缘 处，仃弯= 华，其中：m 一：，三。 则仃杳：m m a x y m a x 二l z 由该点产生的弯矩若为负，可判断钢架左边螺栓受拉，右边螺栓受压，若为正，刚 好相反。 垂直方向上产生的正应力为拉应力，其值为： f 盯拉2 面( 2 - 1 7 ) 其中单个螺栓根部面积： 仁孕 ( 2 - 1 8 ) 则钢架左端螺栓受正应力之和： 仃总2 盯弯+ 盯拉 ( 2 1 9 ) 单个螺栓上的剪切应力： f f 58a(2-20) 取左端受拉螺栓的单元体为研究对象( 见图2 1 6 ) ，进行应力组合。 第二章管道强度计算分析基本模型 八4 ， 图2 1 6 单元体受力图 可得主应力： 旷半+ ( 竿) 2 + o a 铲半一( 孚) 2 + o a 仃2 = 0 根据第四强度理论，计算螺栓的组合应力： = 三【( 旰刚2 巾z 1 ) 2 巾z1 ) 2 】h ( 2 - 2 1 ) 进行强度校核。 ( 2 ) 固定支架下端螺栓校核 h 型钢桩支架与地面连接是由1 6 个螺栓固定，由图2 1 7 可以看出1 6 个螺栓的排列 形式。 图2 - 1 7 现场螺栓连接形式 螺栓布置为每个h 型钢有4 个螺栓，共1 6 个，在沿着管线轴线z 方向上的排布如 图2 1 8 所示。 西安石油大学硕士学位论文 图2 1 8 沿管道方向固定支架下端螺栓分布截面图 计算固定支架下端螺栓的惯性矩： 管线轴线z 方向上外层8 个螺栓相对于坐标轴产生的惯性矩： 铲+ 州8 h i3 2 4 + 0 5 3 5 2 孚) x 8 = 1 6 1 6 x 1 0 - 4 m 4 管线轴线z 方向上内层8 个螺栓相对于坐标轴产生的惯性矩： 叫蚺叫= 怛3 2 + o - 3 3 5 2 等 x 8 = 6 3 4 x 1 0 - 4 m 4 则总惯性矩： i z = i 卧+ i 电= 2 2 5 x 1 0 _ m 4 螺栓上由弯矩产生的最大正应力盯杳发生于弯矩最大的截面上且离中性轴最边缘 处，盯弯：华，其中：虬：f 三 则盯弯：毕 由该点产生的弯矩为正，可知钢架右边螺栓受拉，左边受压；若为负，则符号刚好 相反。 垂直方向上产生的正应力为拉应力，其值为： f 仃拉2 而 其中单个螺栓根部面积： a ：7 r 。i 2 则钢架左端螺栓受正拉应力之和： 盯总2 仃弯+ 盯拉 单个螺栓上的剪切应力： 1 8 第二章管道强度计算分析基本模型 1 6 彳 故组合后的应力为： 卟半+ ( 竿) ：2 仃2 手+ 1 ( 彳) + f 秒 旷半一c 孚) 2 + o 仃2 = 0 根据第四强度理论，计算螺栓的组合应力： 。= 圭【( 盯，一吒) 2 + ( 仃：一巳) 2 + ( 盯：一万。) 2 】p 】 ( 2 - 2 2 ) 进行强度校核。 ( 3 ) 管道筒体与地面连接螺栓校核 母线及支线管道简体因为是轴对称结构，依据j b 4 7 1 0 9 2 钢制塔式容器6 1 3 2 地 脚螺栓的计算方法，地脚螺栓承受的最大拉应力按下式计算： 仃日：孥+ _ f y - m o g ( 2 - 2 3 )2i + 丁 其中，m 弯为支架底端所受的最大弯矩；f y 为该点所受的垂直方向的载荷；a b 为固 定支架底端基础环的面积；i b 为为固定支架底端基础环的轴惯性矩。 而地脚螺栓的校核按下式计算： 。以 ( d 1 一c 2 ) 2 爵2 半g p 2 4 ， 两一f 一剐 u 吃钏 式中：d 1 地脚螺栓螺纹小径，m l r l ： c 2 地脚螺栓腐蚀余量，m m ； n 地脚螺栓个数； b 】6 ，地脚螺栓材料的许用应力， 若满足上式，则强度满足，若不满足上式， m p a 。 则强度不满足。 西安石油大学硕士学位论文 第三章管道机械特性应力计算与分析方法 3 1c a e s a ri i 管道应力分析软件简介 c a e s a r i i 管道应力分析软件是由美国c o a d e 公司研发的压力管道应力分析专 业软件。它是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，可以用于分析大型管系、钢结构 或二者相结合的模型【2 0 1 。c a e s a r i i 向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范，软 件使用方便快捷。c a e s a r i i 凭借其强大的分析功能、友好的界面、丰富的数据库等优 异的性能而深受国内外管道应力分析工程师的青睐，在中石化、化工、电力、油田等其 它行业拥有众多的用户。 管道静态分析：c a e s a r i i 进行静态分析时通常使用软件推荐的荷载工况来满足管 道规范应力要求。对于特殊情况，用户可改变荷载工况，增加或减少载荷工况。目前， c a e s a r i i 软件最多可定义9 9 个不同的载况。 在模型中使用定义的载荷分量所推荐的载荷工况来满足所选择的管道规范。如果程 序推荐的分析不能满足，你可以建立自己的载荷工况。 a s c e 风载的生成。程序根据a s c e # 7 或用户自己定义的风压或风速数据自动作用 和分析风载荷考虑热弯曲。 提供考虑热梯度的影响。 管嘴柔性和应力的计算。程序包括w r c 2 9 7 、a p l 6 5 0 和b s 5 5 0 0 定义的管嘴柔性， 它根据w r c 2 9 7 、w r c l 0 7 和a s m es e c t i o nv i i id i v i s i o n 2 计算管嘴和容器应力【2 l 】。 3 2c a e s a ri i 管道应力分析软件的理论基础 c a e s a ri i 应力分析程序的理论基础是结构力学，而结构力学在建立杆状元件的力 学方程时作出了一些假设：即结构中所有杆状元件的变形都很小，各节点的位移不改变 元件的形状，此时力和位移成线形关系，并符合虎克定律，各载荷在元件中引起的应力、 应变、位移可以叠加。基于这样的假设，在应用c a e s a ri i 管道应力分析程序时，被 分析的管系应满足或者接近上述的假设条件，否则将会引起较大的计算误差。 c a e s a ri i 和其它管道应力分析程序一样，其求解思路为：除了第一个固定端之外， 假想将其它所有的约束点都开放，从而使管系变成一个自由的静定系统，并由此根据结 构力学理论算出所有外加载荷引起的管系中各点的位移。然后进行柔度矩阵计算，求出 管系中各约束点恢复到原来位置上或恢复到某一指定位移量上所需施加的载荷。根据这 些载荷即可计算出管系中各单元的力、应力、应变和位移。对于不同的工况，则计入不 同的载荷，即可得到不同工况下所需要的结果。当节点有附加位移时，则将附加位移与 上面求得的位移叠加。 其它特殊载荷或特殊工况，也采用叠加原理进行叠加。由此，可以根据需要任意选 2 0 第三章管道机械特性应力计算与分析方法 择工况组合以得到所希望的结果。 3 3c a e s a ri i 管道应力分析软件的分析程序 c a e s a ri i 管道应力分析程序可分为数据输入、计算工况选择、输出结果分析及判 定三个部分进行。 3 3 1 数据输入 进行c a e s a ri i 计算时，首先对要分析的管系进行节点的选择和编号，以便从输 出结果中得到所希望的结点数据。 其次进行数据输入。 输入的数据按其特性不同分为基本参数、管道元件结构特征参数和边界条件三种类 型。基本参数主要包括管系中各管道元件的安装温度、计算温度、材料牌号、许用应力、 弹性模量、泊松比、管道材质密度、介质密度、绝热层厚度和密度等。 管道元件结构特征参数主要包括管系中各管道元件的形状、结构特征等。这类参数 决定了管系的空间走向和相应管道元件的规格尺寸、特性等。 边界条件主要包括管系中各管道元件的约束条件、附加位移、管系端点类型、冷紧 等。