管道应力计算软件在随桥燃气管道的应用.docx

管道应力计算软件在随桥燃气管道的应用刘艺(厦门华润燃气工程设计有限公司 , 福建 厦门 361004 )摘要 :使用 Stre ss V 2. 0 管道应力计算软件来计算随桥敷设的燃气管道的一次应力、二次应力 ,根据管道安全性判断条件判断管道的安全性。关键词 :管道应力计算 ;二次应力 ;安全性中图分类号 : TU996文献标识码 : B文章编号 : 1000 - 4416 ( 2009 ) 05 - 0A 32 - 04A pp l ica t ion of P ipe l in e S tre ss Ca lcu la t ion Sof twa re to Ga s P ipe l in eIn sta lled a lon g Br idgeL IU YiA b stra c t:The Stre ss V 2. 0 p ip e line stre ss ca lcu la tion softwa re is u sed to ca lcu la te the p rim a ry andseconda ry stre ss of ga s p ip e line in sta lled a long b ridge, and the p ip e line secu rity is judged acco rd ing to thejudgm en t cond ition s of p ip e line secu rity.Key word s:p ip e line stre ss ca lcu la tion;seconda ry stre ss;secu rity随桥敷设是城镇燃气管道穿跨越工程中的一种常见方式 ,由于有些地方受地形条件限制 ,无法采用 其他的过河方式 ,为使施工方便 、简单 ,降低工程造 价 ,通常会在桥梁 (墩 ) 上设支架 , 燃气管道沿支架 跨越。本文主要利用 Stre ss V2. 0 管道应力计算软 件对此类燃气管道过桥形式进行管道应力分析与安 全性判断 。Stre ss V 2. 0 管道应力计算软件的开发借鉴了国 外同类软件设计的先进经验 , 具有全新的 W indow s 界面、友好的人机交互界面 、方便的计算文档管理及 数据库功能 。可方便地对管道应力作出判断 ,是进 行管道工程设计不可缺少的助手 。1 工程概况某工程燃气管道经过的桥梁为一座 3 孔、跨距 为 10 m 的已通行多年的简支梁桥 ,管道通过的一侧 盖梁边吊挂 3 根 1 组的电信管和一根 DN 250 mm 给水管。受现场条件的限制 ,燃气管道在随桥敷设 的架空段不能转向 ,只能在梁侧壁上安装悬臂槽钢 托架支撑燃气管道 ,与其相邻的管道保持安全间距 。2 管道布置与安全性判断2. 1 管道布置对于既有桥梁 ,尽量沿桥边平行敷设 ,减少对周 边环境的影响 。利用管道敷设中自然存在的曲折或加设的曲折 ,进行自然补偿 ,尽量减少设置补偿器。 该工程管道选用直缝焊接钢管 , 管道随桥敷设 采用中间导向支架 ,两端靠自身弯曲管段进行自然补偿的方式 。布置方案分为 3 种 ,见图 1。A 32刘 艺 :管道应力计算软件在随桥燃气管道的应用第 29卷 第 5期www. ga sandhea t. com即 :L h( 2 )式中 L 由内压 、自重和外载所产生的轴向应力之和 , M Pa 由管道热膨胀产生的位移所计算的最大位 移应力范围 ,不超过管道的许用位移应力范围 ,即 :E aa = f ( 1. 25c + 1. 25h - L )( 3 )( 4 )图 1 随桥敷设管道布置方案该图仅为管道走向示意图 ,未按比例绘制 。图 中 , 0、1、2. . . . . . 表示节点 ,箭头表示气流方向 ,尺寸 单位为 m。管道支架均固定于桥外梁的侧壁上 ,每 10 m 设 置 1 个支架 。端点 0及端点 5均为管道出入地面的 约束点。2. 2 管道应力种类根据管道应力的性质 ,管道应力分为一次应力 、 二次应力和峰值应力 3类 1 。一次应力是由管道的内压、自重和其他外载产 生的应力 。一次应力的大小是衡量管道是否安全的标准之一 。在安装条件 、内压 、温度和外载不变的条件下 ,一次应力不变。一次应力 操作温度下材料 的许用应力 ,管道可以安全运行 。二次应力是由于 管道变形受阻而引起的正应力和剪应力 ,二次应力 不是直接与外力相平衡 ,而是靠管道各部分变形来 适应 ,由温度产生的热应力在管道应力分析中占有 很重要的位置。峰值应力是管件局部结构的不连续 或局部热应力的影响而引起一次应力和二次应力的 增量 ,其基本特征是同时具有自限性和局部性 ,它不 会引起明显的变形 ,其危害性在于可能导致疲劳裂 纹或脆性断裂。该工程的管道管件的结构形式简单 合理 ,可忽略峰值应力的影响 。2. 3 管道安全性判断条件 2 在管道运行时 ,对于一般荷载产生的应力 ,安全 运行的判断条件如下 : 由内压产生的一次应力中的环向应力不超 过管道运行时材料的许用应力 ,即 :式中E 由管道热膨胀产生的位移所计算的最大位移应力范围 , M Paa 管道许用位移应力范围 , M Paf管道位移应力范围减少系数c 管道在冷态 (预计最低温度 ) 下的许 用应力 , M Pa3 管道应力计算3. 1 软件计算工况及适用范围3. 1. 1 计算工况Stre ss V 2. 0 软件分“自重 ”、“初冷 ”、“初热 ”、 “由热至冷 ”4个工况进行计算 ,具有数据统计、管道 应力计算、端点推力及力矩计算 、管道位移计算、最 大应力显示 、弹簧自动选择及弹簧数据表计算等功 能 。 自重工况。进行自重分配 ,计算支吊架的 工作荷重 ,以作为一次应力验算的依据。 初冷工况。计算管道安装状态下对设备(或端点 )的推力和力矩以及刚性支吊架的安装荷 重 ,给出弹簧支吊架的冷紧位移 。 初热工况。计算管道运行初期在工作状态 下对设备 (或端点 )的推力 ,刚性支吊架的荷重 。 由热至冷工况。进行二次应力验算 ,并根据自重工况算出的自重作用力和力矩 ,进行一次应 力验算。这个工况还计算出弹簧支吊架的安装荷重 。根据应变自均衡的情况 ,求出应变自均衡后冷 状态管道对设备 (或端点 )的推力和力矩 ,以及这个 状态下刚性支吊架的荷重。在这个工况计算中 ,还 给出各支吊点的热位移并选择支吊架弹簧。3. 1. 2 适用范围 该软件具有管道静力分析的全部功能 ,能计算各种物料、各种参数的枝状多分支管道 。软件的适用范围为 : 温度、压力、管道材料及参数、管端附加位 移等原始数据的数量 1 000。P h式中 P 环向应力 , M Pah 管道在热态 (预计最高温度 ) 下的许 用应力 , M Pa 由内压 、自重和外载产生的一次应力中的轴向应力之和不超过管道运行时材料的许用应力 ,( 1 )A 33煤 气 与 热 力第 29卷第 5期www. ga sandhea t. com管道分段数量 100。管道材料材质 (如碳素钢钢管、低合金钢节点 5 ) ,将各个管段中元件的坐标轴 、长度、方向、角度等相关信息逐个按气流方向输入 ,完成管道全 部信息的输入 ,存盘退出 ,进行计算 ,浏览结果 。管端推力见表 2 ,最大应力见表 3。在表 3 中 ,对元件点号 ,直元件每隔 1 m 算 1 点 (不足 1 m 作 1 m 计 算 ) ;弧元件每隔 15 算 1 点 (不足 15 作 15 计算 ) 。 例如方案一的管段 2 仅有 1 个直元件 ,即为第 1 元 件 。元件点号 10 表示位于管段 2 的第 1 直元件中 从始节点 1至末节点 2 以整数 0 开始 ,每隔 1 m 编 号 ,编至节点 2 (单向导向支架 )为止刚好为 10号 。管等 )的品种数量 30。 需校验管 端坐标 的管道 材质 品种数 量20。当计算管道比较复杂时 ,有必要校验坐标 ;若 管道走向简单则可以不校验坐标 。 有附加位移的管端 ,如图 1 中的端点 0、端 点 5 ,此类管端数量 20。 管道的弯头 、直管 段、三 通等 元件数 量300。管道上支吊架数量 80。工艺管道上需要有冷紧的位置数量 20。 元件改变走向次数 130。表 2管端推力N3. 2 管道应力计算及结果利用 Stre ss V2. 0软件在进行新的项目计算前 ,预先准备好管道走向的轴测图 (见图 1 ) ,再准备管 道设计的原始数据。该工程随桥敷设的燃气管道选用直缝焊接钢管 ,执行 GB / T 9711. 1 1997石油天然气工业输送钢管交货技术条件第 1 部分 : A 级 钢管 ,管道计算参数见表 1。表 1 随桥敷设燃气管道的计算参数启动 Stre ss V2. 0 ,进行数据输入 ,以图 1中的方案二为例 , 管道共分为 5 个管段 ,管段一般以节点 来划分 ,分段节点可以是管道的分叉点 、支吊点、冷 紧口、端点等 。管道共有 13 个元件 ,其中 9 个直元 件 , 4个弧元件 ,管道中的元件按其性质 、形式、形状 和管子规格来划分。直管 、弯头、各类焊接三通、阀门、对焊法兰等均为元件 。顺着气流方向输入每一 个元件。若是直元件 ,先选择直元件所在的坐标轴 , 再将该元件的长度输入 ,如果气流方向与 x、z、y 轴 正方向相同 ,元件长度为正值 ,反之 ,元件长度则为 负值 ;若是弧元件 ,将该元件的角度数值输入即可 。 从管段 1 (节点 0 至节点 1 )开始至管段 5 (节点 4 至表 3最大应力A 34方 案应力 类型管段 号始节 点末节 点元件 号元件 点号计算应 力 /M Pa许用应 力 /M Pa结果方 案 一一次应力管段 21211012. 3112. 0通过二次应力管段 10110523. 2265. 9未通过方 案 二一次应力管段 4341013. 6112. 0通过二次应力管段 10120235. 5264. 4通过方 案 三一次应力管段 4341013. 8112. 0通过二次应力管段 10120179. 5264. 7通过安装温度 / 20设计温度 / 70设计压力 /M Pa0. 2管道材质10号钢管道外径 / mm323. 9管道壁厚 / mm7. 9管道弯曲半径 / m0. 45管道单位长度质量 / ( kgm - 1 )61. 56环向焊缝系数0. 9方案节点号x、z、y方向分力热态荷载冷态荷载热松弛荷载冷松弛荷载方 案 一0Fx- 3 466. 310. 8- 736. 02 750. 0Fz- 471. 812. 3- 91. 6393. 7Fy0. 00. 00. 00. 05Fx3 466. 3- 10. 8736. 0- 2 750. 0Fz- 677. 823. 2- 127. 4575. 5Fy0. 010. 80. 00. 0方 案 二0Fx- 505. 8- 1. 1- 242. 0263. 6Fz- 74. 5- 1. 5- 36. 336. 8Fy26. 10. 012. 4- 13. 65Fx505. 81. 1242. 0- 263. 6Fz- 80. 10. 4- 37. 942. 6Fy27. 50. 013. 1- 14. 5方 案 三0Fx- 313. 6- 1. 3- 196. 8115. 9Fz- 46. 8- 4. 4- 31. 011. 6Fy20. 50. 012. 8- 7. 65Fx313. 61. 3196. 8- 115. 9Fz- 47. 6- 3. 3- 31. 113. 3Fy21. 70. 013. 5- 8. 1注 : Fx 、Fz、Fy 分别表示 x、z、y轴方向的推力 。刘 艺 :管道应力计算软件在随桥燃气管道的应用第 29卷 第 5期www. ga sandhea t. com4 计算结果分析根据管道安全性的判断条件 ,管道运行时 ,在满 足一次应力 、二次应力同时不超过所规定的应力值 时 ,管道运行安全可靠 。 Stre ss V2. 0 软件在输出验 算结论时 ,只输出管道最危险断面的应力值。表 3 中的元件点号表示所属管段的某一个元件中最危险断面位置 ,而此元件位置见表 3 中的元件号。当一 次应力或二次应力大于相应的应力值时 ,必须修改 管道设计方案。4. 1 一次应力验算图 1的 3种方案中 ,管道在工作状态下 ,由内压 和持续外载 (包括自重 ) 作用产生的一次应力远小于允许值 ,验算均通过。4. 2 二次应力验算 方案一 : 燃气管道的走向意图是靠支架两 侧的 L 形管段进行自然补偿 ,计算过程中发现支吊架存在脱空现象 (即某一支吊点上支吊力出现负 值 ) ,由于支吊架类型受桥梁现状条件的限制 ,无法 取消脱空支架或改用弹簧支吊架 。二次应力验算的 结果 ,管段 1中始节点 0 至末节点 1 的计算值远大 于允许值 ,未通过验算。说明管道布置不合理 ,存在一定安全隐患。 方案二 :在现有的地形条件下 ,管道两头分 别设置一个空间立体弯进行自然补偿 ,计算过程中 二次应力验算的结果通过 ,但支吊架仍存在脱空现象 ,管道设计仍有不合理的地方 。为避免脱空现象造成计算结果有较大的误差 ,此管道布置方案仍需 进一步调整 。 方案三 :鉴于方案一 、方案二在计算过程中存在的问题 ,在现场条件许可范围内 ,通过反复调整 管段 1 及管段 5 中 z轴方向的元件长度 ,由原来的1. 2 m 改为 1. 5 m ,应力计算结果均满足管道应力范 围 ,此方案管道布置合理、安全。4. 3 管端推力验算通过表 2 的数据可明显看出 ,方案三的管端推 力最小 ,受力分布最均衡 ,且二次应力值相对较小。4. 4 方案比较结果通过对管道应力及管端