复杂管道系统应力分析中的支吊架布置设计

复杂管道系统应力分析中的支吊架布置设计

近年来，我国核电站的快速发展对核电站的安全可靠性要求越来越高。管道系统在核电站中被广泛使用。工程实际中,管道应力分析是证明管道在承受与每类工况相关的载荷时,均不发生某种形式失效的主要途径之一管道支吊架是管道系统中的一个重要组成部分,它对管道起着承受荷载、限制位移和控制振动等作用针对核电厂复杂管道应力分析中支吊架位置的调整和功能选择,以有限元分析为基础,采用专业的核电厂管道应力分析软件进行了大量的数值模拟计算,对支吊架进行了布置设计。总结了管道应力分析中支吊架布置设计的过程与方法,并以设计实例分析了复杂管道应力分析中的支吊架布置设计,验证了该方法的可靠性和有效性。1系统内各设备连接起来管道系统设计的基本过程是:按照系统功能和流程图的要求,利用管道和管件将各个设备连接起来1.1管道应力分析管道产生应力的因素是多方面的,主要有重力、压力、压力脉动、地震、冲击和热膨胀等因素。其中,热膨胀和地震载荷引起的管道应力是管道应力分析所要解决的最主要问题。管道应力分析的目的是为了证明管道在承受与每类工况相关的载荷时,均不发生某种形式的失效。为了满足这一要求,对于每一种载荷工况,应遵守规定的准则级别。1.1.1连吊架和重建结构的作用(1)计算管道的应力并使其满足规范的要求,保证管道的自身安全;(2)计算管道对与其相连的设备、仪器的作用力,并使之满足标准、规范的要求,保证设备、仪器的安全;(3)计算管道对支吊架和土建结构的作用力,为支吊架和土建结构的设计提供依据,保证支吊架和土建结构的安全;(4)计算管道位移,防止位移过大造成支吊架脱落或管道碰撞,并为弹簧吊架的选用提供依据。1.1.2管道和管道的撞击(1)管道的地震分析,防止管道在地震中发生破坏;(2)管道的撞机事件分析,防止管道在撞机事件中发生破坏;(3)风雪冲击和流体冲击分析,防止管道在风雪和流体冲击载荷作用下发生破坏。1.2管道的运行状态复杂管道系统的应力分析就是要证明管系在承受与各类工况相关的载荷时,均不发生某种形式的失效。因此,正确地施加各类工况的载荷是关键一步。管道系统承受的载荷大致可分为以下四类(1)压力载荷:可能在几种不同压力、温度组合条件下运行的管道,应根据最不利的压力温度组合确定管道的计算压力;(2)持续外载:包括管道自身载荷(管子及其附件的重量、管内介质重量、管外保温的重量等)、支吊架的反力,以及其它集中和均布的持续外载;(3)热胀和端点位移:管道由安装状态过渡到运行状态,由于管内介质的温度变化,管道产生热胀冷缩使之变形;与设备相连接的管道,由于设备的温度变化而出现端点位移,也使管道变形;(4)偶然性载荷:包括风雪载荷、地震载荷、流体冲击以及安全阀动作而产生的冲击载荷。1.3重视运行工况的定义管道应力分析过程中,很重要的一步就是确定载荷工况。根据设计标准和规范确定载荷工况,目前核电厂管道应力分析所使用的标准和规范主要有美国的ASME标准和法国的RCC-M规范。文中以RCC-M设计规范为依据,确定了载荷工况及每类工况所考虑的载荷第一类工况(参考工况):是指管道系统所处的一种状态,即它处于下面要定义的第二类工况所承受的最严重的载荷作用时,由此而确定的不随时间变化的状态。这类工况包括了设计压力、设计温度及其它设计载荷。第二类工况(运行工况一):是指管道系统在正常运行期间可能遇到的一种状态。包括稳态运行工况及启动瞬态、停运瞬态、由正常运行事件引起的瞬态,例如:紧急停堆、给水泵和循环水泵停转、厂外电源丧失、冷凝器真空丧失、控制系统设备失效等。主要考虑的载荷有:作用在部件上的压力、热作用及其它设计载荷。第三类工况(运行工况二):是指管道系统在稀有事故情况下所处的一种状态。此类工况很少发生,但在设计时必须考虑,这类工况通常也被称为紧急工况。所考虑的载荷有:作用在部件上的最大压力、自重、紧急机械载荷及其它持续载荷。第四类工况(运行工况三):是指一种极不可能出现的状况,但对于造成管道安全性的后果应予以考虑、研究,不因此类工况出现的概率太小而不予考虑。这类工况下考虑的载荷有:作用在部件上的最大压力、自重、其它持续载荷及事故载荷(如地震DBE或撞机APC)。试验工况:在规定水压试验期间,设备(包括管道)所处的状态。2管道支吊架和支吊架布置管道应力分析中支吊架布置设计是指支吊架位置确定和功能选择的设计。管道系统的布置包括管道空间走向设计和支吊架布置,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确定支吊架位置和支吊架功能选择。在设计过程中,对于简单的管道系统按管道布置导则设计即可满足设计要求,但对于复杂管道系统则需要借助于有限元法进行管道系统的应力分析,根据计算结果不断地调整支吊架设计才能达到设计要求。2.1吊架的分类及分类支吊架是承受管道载荷的主要构件,按照其功能的不同,支架可以分成三大类型:导向支架、滑动支架和限制支架;吊架可分为变力吊架、恒力吊架。它们的具体形式如表1所示。2.2支吊架位置的确定在工程实际中,支吊架的布置设计常按一定基本原则进行,核电厂管道支吊架布置设计的总体原则是:(1)尽量应用标准支吊架,有利于制造、安装,降低成本;(2)简化设计;(3)重量要轻;(4)锚固支架尽量少;(5)安装时减少焊接工作量;(6)所需空间要小;(7)便于施工和维修。在复杂的管道系统中,支吊架位置的确定与功能选择主要受到下列因素影响:管道自身重力、阀门和组件的重力、管道热膨胀、锚固点位移、内部或外部激励载荷、环境温度及支吊架制造和安装。支吊架布置设计的过程为:(1)根据管道的口径、壁厚和在线组件的重量初步确定支吊架的位置和所约束的自由度数;(2)计算在压力和热载荷作用下的管道系统变形,根据变形情况调整支吊架的位置和约束情况,即,通常是在热胀位移小的位置布置支吊架和施加约束,在热胀位移大的位置释放约束;(3)计算在地震载荷、重力载荷、温度载荷与压力载荷共同作用下的管道系统,在地震位移较大的位置布置支架和约束。重复计算,研究管道应力、支架反力及特殊点的位移。如果管道系统应力分析不能满足规范要求,则需要对支吊架的位置和功能进行局部调整。当多次调整后仍不能满足规范要求,则有必要修改管道走向,然后重复上述过程,直到满足规范要求。3复杂管道应力分析单元的数值模拟计算案例核电厂中,管道数量繁多且较复杂。文中以某核电厂某系统的一个管道应力分析单元为例,以管道应力计算的专业软件为平台,采用有限元方法进行数值模拟计算,对复杂管道系统中支吊架进行了布置设计3.1小管道系统的三维模型计算模型中的基本参数:材料为不锈钢TU42C,大管道公称直径700mm,管道壁厚12.5mm,总长度约43m,保温层的线密度为0.560N/mm;小管道公称直径400mm,管道壁厚8.0mm,总长度约25m,保温层的线密度为0.317N/mm;管内流体均为水,计算温度90℃,压力为4bar,抗地震等级为2级。管道系统的三维模型如图1所示。计算的有限元模型见图2,共划分134个单元,节点数为135。3.2支架位置的确定通过数值模拟计算,设计结果见表2～5和图3。该模型中支吊架布置设计的难点在于热膨胀载荷和地震载荷作用下的支吊架布置和功能选择。在热胀载荷作用下,大管道和小管道的热胀位移方向不一致,很容易使三通成为应力危险点。另一方面,由于大管道的竖直段较长,增加了考虑重力和地震载荷时的设计困难。以上两个方面是在设计中重点关注的。从管道的走向和几何尺寸,可以比较容易地确定支架1,2,3,4,11,12,13,15的功能类型为LG由于支架4在靠近三通处,处于敏感区,其位置需要在计算中不断调整,其余几个LG类型支架的位置都可以直接确定。确定以上支架以后进行计算,输出图3中编号为5～10与14处的位移,计算结果见表2,3,同时,得到支架3承受的重力载荷为163.3kN;支架4承受的地震载荷为223.5kN,该力来自大管上面水平段的地震冲击。从表3可以看出,应力比值远超出了设计标准和规范的要求,没有达到设计目的,需要设计其它支架。由于支架3承受的重力载荷太大,需要在编号5的位置设计一个支架,为了解决重力和热胀的矛盾,将支架5设计成弹簧吊架。分析表2的计算结果,支架6设计为轴向和横向约束,可以解决支架4地震力过大的问题,支架7为承重支架;支架8处的水平地震位移很大,可将支架8设计为横向约束;支架9处的水平热胀位移较大,设计为承重支架;支架10处的水平热胀位移小,地震位移大,设计为横向约束支架;支架14处的轴向和竖直方向的位移较大,设计为轴约束和竖直约束的支架。支架6～10和14的设计,很好地解决了大管道重力、热胀和地震载荷之间的矛盾。计算的应力比值和支吊架反力都满