管道應力分析程序使用的深入探討

文淵

摘 要：文章探討了管道應力分析程序CAESAR II選擇彈簧的機理，并分析了CAESAR II與另一管道應力分析程序GLIF的概念異同。

關鍵詞：CAESAR II；GLIF；彈簧支吊架；冷位移；熱位移；理論安裝荷載；持續荷載；操作荷載

中圖分類號：TQ05 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0109-02

電廠動力管道，特別是輸送高溫、高壓介質的汽水管道是承受高溫、高壓的金屬結構件，其必須滿足強度安全不等式[1] [2]。管道應力分析是電廠動力管道設計的重要環節。

目前國內廣泛采用有限元計算軟件進行管道應力計算，如東北電力設計院編制的有限元程序GLIF。GLIF多年來廣泛應用于國內大中型機組的管道應力分析。

美國COADE公司的管道應力分析軟件CAESAR Ⅱ作為國際流行的管道應力分析軟件，自20世紀90年代被國內石化系統設計企業引進后，正在被越來越多的國內工程公司和應力分析工程師所采用。CAESARII自4.3版起已將中國電力的彈簧庫納入軟件，并在600 MW及以上的機組中獲得了廣泛應用。

但是，CAESARⅡ作為國外的工程軟件，目前并不遵循國內規范（如DL/T，5366-2006《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》）。特別是在計算管系作用力與彈簧選型時與國內電力設計企業的習慣做法并不相同。了解應力分析程序選擇彈簧的機理，對管道應力分析有著重要的指導意義。CAESARⅡ和GLIF兩款軟件雖然概念不完全一樣，但原理是相同的。

1 管道的狀態線

我們知道，引起管道變形位移的諸因素，主要有支吊架附加反力、管道端點附加位移、管道熱脹冷縮、管道冷緊等[3][4]。這些因素，并非始終存在于管道的各種狀態中。即管道在不同狀態下，由于引起管道變形位移諸因素的不同組合疊加，其管線形狀也不同，管道在某一狀態下的管線形狀稱為該狀態下狀態線。

1.1 設計線

剛開始進行管道設計時，管道被看作是一根無重量的彈性線，這根不考慮任何因素作用的狀態線稱為管道的設計（理論）線。

1.2 安裝線

在考慮管道疏水坡度的坡切和冷緊的割短后，管道位置就不是原來的設計線，它是管道安裝時（冷緊前）的實際位置線，稱為管道的安裝線。此時對應的管道荷載稱為理論安裝荷載。水平管道安裝后就成為一根稍微傾斜的管道，它的兩端與垂直管段相交的角度不再是90 ？觷，垂直管段的長度尺寸亦要相應縮短。

1.3 冷態線

冷態（持續態）線是以安裝線為基準，考慮管道自重、支吊架在冷態的附加力和冷緊引起管道變形位移的疊加。此時的位移稱為冷位移，對應的管道荷載稱為冷態（持續）荷載。需要說明的是，由于施工精度的關系，目前現場已很少采用冷緊施工。本文中的敘述也不再涉及冷緊。

1.4 熱態線

熱態（操作態）線是以冷態線為基準，考慮管道熱膨脹和管道端點附加位移引起管道變形位移的疊加。此時的位移稱為熱位移，對應的管道荷載稱為熱態（操作）荷載。

2 GLIF與CAESAR II選擇彈簧機理的異同

2.1 CAESAR II的工況的定義

以下是一個含有彈簧支吊架的管系的典型工況：

CASE1（HGR）=W，即彈簧設計工況；

CASE2（HGR）=W+D+T+P，即彈簧設計工況；

CASE3（OPE）=W+D+T+P+H，即熱態（操作）工況；

CASE4（SUS）=W+P+H，即冷態（持續）工況；

CASE5（EXP）=CASE3-CASE4，即膨脹工況。

其中：

W表示管系自重，kg；

D表示端點附加位移，mm；

T表示溫度，℃；

P表示內壓，MPa；

H表示彈簧的附加反力，N。

2.2 CAESAR II選擇彈簧的機理

工程上，一般按“熱態吊零”的載荷分配原則確定彈簧支吊架的受力。所謂“熱態吊零”，是指彈簧支吊架在熱態時承受的力應等于冷態時由管系分配給它的力。其優點是按這樣的原則確定的彈簧支吊架受力使得整個管系中各支承點承受的自重力在熱態時比較均勻。

CAESARII設計彈簧是通過兩個彈簧設計工況來完成的，如圖1所示。

第一步：計算彈簧支吊點的分配荷載。

在工況1中，CAESARII用剛性約束替代彈簧，進行管系荷載分配計算，得到的荷載即為彈簧的熱態（操作）荷載HL。

第二步：計算彈簧支吊點的計算熱位移。

在工況2中，CAESARII 將工況1中計算出的熱態荷載指定給彈簧，并將彈簧剛度置為零，對管系作靜力計算，得到彈簧支吊點的計算熱位移TH。

第三步：選擇彈簧。

由前兩步得到的熱態（操作）荷載HL和計算熱位移TH這兩個參數，軟件就可以按照彈簧選擇規則從軟件內置的彈簧表中確定一個彈簧剛度值k，自動選出彈簧，并計算出“理論安裝載荷”TIL值。并以該值為彈簧整定值。

理論安裝載荷TIL=熱態（操作）荷載HL+彈簧剛度k×（±位移量TH）。當位移量向上時，位移量取正值，反之則取負值。

至此，彈簧的選擇已經完成。但應力計算尚未結束。

最后，CII利用設計出的彈簧，將H（即考慮彈簧的剛度因素）作用于其它工況中，進行管系載荷、位移等計算。在工況3中，得到彈簧的熱態（操作）荷載HL和彈簧的計算熱位移TH。在工況4中，得到彈簧的冷態（持續）荷載CL和彈簧的冷位移CD。在工況5中，得到彈簧的熱位移HD。

下面舉例說明。

有一彈簧設計值為HL=5 000 N，TH=25 mm，k=20 N/mm，理論安裝荷載為TIL=5 500 N。當管系安裝完畢，拔出彈簧的定位銷后，如果管道很柔，過大的理論安裝荷載會使此點管道產生冷位移15 mm，同時荷載降低至5 500-15×20=5 200 N。

如果管道受熱，關于計算熱位移25 mm不難理解。因為管道向上移動，彈簧釋放，管道荷載降低，彈簧荷載降低——直至和重量平衡，彈簧不再向上拉管道。

2.3 國內電力設計院選擇彈簧的方法

上述彈簧設計方法是國外95%的設計采用的通用方法，然而國內電力的做法與上面并不完全相同。以程序GLIF為例。

前兩步與CAESARII相同，同樣如圖1所示。

第三步：選擇彈簧。由前兩步得到的熱態（操作）荷載HL和計算熱位移TH這兩個參數，軟件就可以按照彈簧選擇規則從軟件內置的彈簧表中確定一個彈簧剛度值k，自動初選彈簧，并計算出“理論安裝載荷”TIL值。

理論安裝載荷TIL=熱態（操作）荷載HL+彈簧剛度k×（±位移量TH）。

當位移量向上時，位移量取正值，反之則取負值。

然后，利用初選出的彈簧，將H（即考慮彈簧的剛度因素）作用于其它工況中，進行管系載荷、位移等計算。在工況3中，得到彈簧的熱態（操作）荷載HL和彈簧的計算熱位移TH。在工況4中，得到彈簧的冷態（持續）荷載CL和彈簧的冷位移CD。在工況5中，得到彈簧的熱位移HD。

第四步，用熱態（操作）荷載HL和熱位移HD這兩個參數，重復第三步進行反復的迭代運算，直至選出唯一的彈簧為止。并用該荷載和熱位移計算出各工況數值。并以彈簧的冷態（持續）荷載CL為彈簧整定值。

下面分兩種情況舉例說明。

2.3.1 彈簧不跳檔

計算出的彈簧設計值仍為：

HL=5 000 N；

CL為5 200 N；

HD=10 mm，k=20 N/mm；

理論安裝荷載為：TIL=5 500 N。

電力院將定購預壓冷態荷載為5 200 N的彈簧并安裝。

這與國外定購預壓理論安裝荷載為5 500 N的彈簧沒有區別，所不同的只是現場安裝方式：一種情況是通過預壓彈簧荷載至TIL 5 500 N，然后現場拔去彈簧定位銷，彈簧荷載“漂移”至CL 5 200 N，另一種是通過現場調整支吊架的花蘭螺絲，使彈簧刻度保持在CL上，然后再拔銷。

2.3.2 彈簧跳檔

計算出的彈簧可能發生跳檔。跳檔的優點是在大荷載的場合下，程序能夠選出位移相對比較小的彈簧，比較經濟。缺點是不得不在現場檢查和調整彈簧，確保彈簧刻度在CL點。下表舉例列出了某一彈簧支吊架在計算彈簧行程時是否計入彈簧剛度的工況下的不同計算結果（序號1為未計入彈簧剛度，序號2為計入彈簧剛度）。大小彈簧的相關數值見表1。

從上表可看出，在計算彈簧行程時計入彈簧剛度，計算出的彈簧可能發生跳檔，設計人員能夠選擇較小的彈簧。

在CAESARII4.4及其后的版本中，軟件已應中國電力設計企業的要求為設計人員預留了自由選擇“在計算彈簧行程時是否計入彈簧剛度”的選項。

3 結 語

CAESARⅡ作為國外的工程軟件，在彈簧選型時與國內電力設計企業的習慣做法不一致，并且軟件本身不包括國內的應力計算規程。

因此，設計人員應在軟件配置中進行特別設置，確保其輸出結果符合國內彈簧選型習慣及國內應力計算規程。

參考文獻：

[1] DL/T 5366-2006，火力發電廠汽水管道應力計算技術規程[S].

[2] 王致祥，梁志釗，孫國模，等.管道應力分析與計算[M].北京：水利電力出版社，1983.

[3] 林其略，周美芳.管道支吊技術[M].上海：上海科學技術出版社，1993.