UE管道應力計算的方法研究

摘 要：火力發電廠工程的設計中，管道的設計占據了很大比重，為了解決傳統手工設計進度慢、修改難的難題，文章提出了使用UE管道設計軟件設計并通過有限元計算校核管道的應力。同時，對整個設計和計算過程中出現的一些問題進行研究，并給出相應的解決建議。該研究結論可以應用到其它電廠，對提高火力發電廠的安全性和經濟性有較大的幫助。

關鍵詞：UE軟件；應力；管道

引言

管道系統像人體的動脈和靜脈一樣，是輸送現代文明的載體。管道是動力、石油、化工、輕工、醫院、冶金、建材、機械等行業的中不可缺少的組成部分，直接關系著工廠的安全運行和經濟效益。工藝管道的設計工作十分繁重，尤其在火力發電廠工程中，各種管道溫度、壓力等級各異，所選用的材料種類繁多，因此，在火力發電廠的設計中，管道設計常常成為工程設計的瓶頸，制約著設計進度和質量。

在火力發電廠的管道設計工作中，管道布置完成后，需要對整個管系進行應力計算，校核管系中應力是否超過管道材料極限，管道對設備接口的推力是否符合設備的要求，支吊點荷載是否偏大等等，綜合這些情況對原來的布置方式進行調整。同時，在保證整個管系安全的基礎上優化管道的布置方案，以達到布置合理、節約材料的目的。因此，采用管道設計軟件來計算和優化管道關系到機組的安全運行和經濟效益。本文著重討論采用UE軟件對管道應力進行計算的方法。

1 UE軟件簡介

優易管道設計集成軟件包是適用于中國電力/石化/冶金/輕工/HVAC/給排水行業標準的最先進、最強大、最方便的管道設計集成軟件包之一。它包括優易三維管道設計軟件AutoPD3.0、優易設備建模軟件ED1.0、優易管道應力分析軟件AutoPSA1.1、優易管道支吊架設計軟件AutoPHS7.0等。這些軟件既相互獨立又互相接口，能為一個完整的管道施工圖設計過程提供服務。

2 UE軟件設計計算流程

優易三維管道設計軟件是立足于全球最通用的圖形平臺AutoCAD的三維工廠管道設計系統。其設計的流程為：管道三維建模、設定約束和邊界條件、管系應力分析計算及結果分析、出圖。

2.1 建模

在管道三維建模中，優易軟件集成了所有目前在工作中常用的設計手冊，將這些手冊上的管道零部件、閥門、設備等制成成型的數據文件歸納入數據庫中。在設計的過程中，只需要選擇好管道的溫度、壓力等級，軟件會自動選擇合適的管材及附件，然后在CAD的三維視圖中以管道單軸線的方式組裝起來完成建模。

2.2 邊界約束

建模完成后，需要根據管道最長間距和現場的實際情況設置各種支吊點，選擇軟件默認的支吊架類型，以此約束管道在x，y，z三個方向上的相應位移。同時，在管系和設備的接口以及管系端點上設置初拉力、力矩和位移。這樣就完成了邊界條件和支吊點的約束。

2.3 計算及計算結果分析

在完成建模和約束條件后，優易軟件采用成熟可靠的有限元算法分析管道系統，其與CAESARⅡ的最大計算誤差低于千分之一。

當計算結果出來之后，可以按照如下的標準進行分析計算是否合格：

（1）各個容易發生應力集中的節點[1]（如彎頭，三通處）的一次應力，二次應力計算結果不超過管材許用應力。

（2）設備端點推力，力矩需與設備廠家校核不超過設備接口允許的推力，力矩。

（3）支吊點荷載與土建，設備廠家校核不超過允許的范圍。

3 應力計算不滿足的調整方法

在整個優易軟件設計管道系統的過程中，最為繁瑣和復雜的過程是當計算應力，荷載等結果沒有達到預期的要求后，需要不斷地對管系進行調整，在調整中既要考慮到現場實際情況，諸如支吊點位置、管道與其他設備的位置關系，又要考慮到管系的安全性，還要考慮管材使用的經濟性。在調整中，經過工作以來一段時間的實踐積累，主要的方法歸納如下：

3.1 應力結果不滿足

通過查看應力計算的結果，我們可以看出確定是一次應力還是二次應力不能滿足要求。管道在持續荷載和偶然荷載作用下的應力屬于一次應力，如果一次應力不合格，可以通過減小支吊架的間距來調整。管道在熱脹冷縮及端點受到約束時產生的應力屬于二次應力，如果二次應力不合格，只能改變支吊架的類型或是重新布置管系。

3.2 對設備接口的推力（矩）超載

對設備接口的推力或推力矩超出允許值，將會對設備造成破壞，嚴重時會影響機組運行，設計計算時出現這種情況可試用以下幾個方法處理：

3.2.1 當垂直方向的推力過大時，可調整端點相鄰支吊架的荷重（給定該支吊架荷重）來改變推力。

3.2.2 當水平方向的推力過大時，可以在離開端點一定距離后，裝設響應的限位支架來隔離推力。

3.2.3 當作用力矩過大時，應分析力矩方向及變形方向，用產生力矩（或變形）的限位裝置來減小力矩。

3.2.4 當同一個力（或力矩）分量的冷熱兩種狀態的代數差值超過設備對冷狀態和熱狀態的允許推力（距）值之和時，一般為管道的柔性不夠，可以考慮改變管系布置，增加管道的柔性。

3.2.5 調整冷、熱態力（力矩）的比值時，可以試用改變冷緊比的方法[2]。

3.3 支吊架失重

失重是應力分析中可能遇到的異常現象，是在吊零前提下協調支吊架跨距不同的自重彎矩造成的，當水平管道跨距不勻時，容易出現失重，通常采用調整支吊架跨距或對支吊架給定荷重來消除失重現象，即對失重點或其附近的支吊點給定荷重后再進行管系應力分析。

4 結束語

4.1 采用UE軟件對火力發電廠管道進行設計和計算大大的提高了設計的進度，經過大量實踐證明，使用優易管道設計集成軟件包設計速度比純手工設計至少提高3倍以上。

4.2 通過UE管道的計算后，可以有效避免管道布置中出現的應力集中，支吊點荷載過大的現象，保證了電廠的穩定運行。

4.3 通過UE軟件對管系的優化后，大大節約了管材，提高了電廠建設的經濟性。

參考文獻

[1]（美）莫維尼（Moaveni，S）.有限元分析[M].電子工業出版社，2008 （8）.

[2]楊永謙.實用有限元分析技術ANSYS專題與技巧[M].機械工業出版社，2010（10）.