設備支撐的兩種模擬方式對管口載荷的影響

聶磊

上海華誼工程有限公司（上海　200235）

化工設備

設備支撐的兩種模擬方式對管口載荷的影響

聶磊

上海華誼工程有限公司（上海200235）

管道應力分析的目的是保證設備與管道的安全運行，并且在此前提下盡量保證管道的美觀性和經濟性，避免不必要的柔性彎。通過CAESAR II對再沸器管線進行應力分析，對再沸器支架的模擬采用了剛性支撐單元和鋼結構兩種方式，并介紹了鋼結構單元參數的計算方法，得出了將設備支架模擬為鋼結構可以改善管口受力，并能節約材料的結論。

鋼結構 CAESARⅡ 設備支撐 管口載荷

1　CAESARⅡ簡介

CAESARⅡ管道應力分析軟件是由美國COADE公司研發的專業管道應力分析軟件，它既可以進行靜態分析，也可以進行動態分析[1]。CAESARⅡ向用戶提供完備的國際上通用的管道設計規范，軟件使用方便快捷。該軟件可以通過輸入屏幕或表格完成數據輸入，將形成的管系模型顯示在屏幕上進行評判，清楚直觀，因此該軟件是當今世界上用戶最多的應力分析軟件，在國內管道應力分析領域也得到了廣泛的應用。CAESARⅡ允許分析管道和鋼結構一體的復合模型，用戶可得到管道-鋼結構非線性作用計算和圖形結果。

2　鋼結構模擬的必要性

鋼框架結構由于抗震性能良好、自重輕、施工周期短、建造速度快等，在現代化工生產裝置中應用普遍。設備和管道的支架通過鋼結構的鋼梁來支撐，通常在運用CAESARⅡ進行模擬計算時，支撐簡單的模擬為剛性支撐，而CAESARⅡ剛性支撐默認的平移約束剛度為1.75e+12 N/cm，這種模擬方式近似地認為支架不可變形，不符合實際情況，因為鋼結構梁在豎直方向上受到集中載荷時會產生一定撓度，當集中載荷較大時，撓度不可以被忽略。下面通過實例分析，比較模擬鋼結構與單純剛性支撐的不同應力計算結果，以說明模擬鋼結構的必要性。

3　實例

再沸器是化工裝置中十分常見且非常重要的工藝裝備，其支撐方式通常有兩種，一種是將支架生根到塔的外壁支撐，另一種是再沸器的支耳通過鋼結構單獨支撐。第一種支撐方式中塔的熱膨脹會帶動再沸器一起膨脹，二者的熱膨脹位移差較小，管口受力情況良好。第二種支撐方式中塔與再沸器分別單獨支撐，二者產生的熱膨脹量在管口位置相差較大，易造成管口載荷過大，本文重點討論分析第二種支撐方式。

再沸器的自重較大，會對支撐設備的鋼梁產生豎直方向的集中應力，使鋼梁在豎直方向產生形變，此形變可減少塔與再沸器之間的膨脹差，增加整個管系的柔性，從而改善管口載荷。

3.1鋼結構模型

在CAESARⅡ軟件中，鋼結構支撐模擬需要建立管道-鋼結構復合模型，鋼結構模型需要在鋼結構計算模塊中單獨建立，在二者復合時設備的支架約束同鋼結構模型通過Cnode功能連接到一起。CAESARⅡ軟件的鋼結構模塊提供了AISC 1977，AISC1989，German1991，Australian1990，South African 1992，Korean 1990，UK 1993等幾種鋼結構數據庫，但缺少國內的鋼結構數據，所以需要對鋼結構的參數進行計算。對于工字鋼來說，需要設置的參數主要有截面積、強軸慣性矩、弱軸慣性矩、工字鋼的寬度和高度、扭轉慣性矩。前4個參數可以從GB/T 11263—2010《熱軋H型鋼和部分T型鋼》中查到，扭轉慣性矩需要由式（1）[2]來計算：

式中，It為扭轉慣性矩，mm4；η為修正因數，對于工字鋼，η＝1.2；h為工字鋼的寬度，mm；δ為工字鋼翼緣厚度，mm。

圖1和圖2分別為純管道模型和鋼結構-管道復合模型。

圖1　純管道模型

圖2　鋼結構-管道復合模型

3.2設備與管道參數

設備與管道參數見表1。

3.3組合工況的建立

本文主要分析在操作與設計工況下管口載荷的變化，具體見表2。L4和L5代表一次應力，二者安裝態附加的壓力不同，L6和L7分別是由溫度T1和T2引起的熱脹力，而L8是考慮T2與T1之間的溫度差導致的熱脹力。

表1　設備與管道參數

表2　工況組合

3.4分析思路

對蒸汽管道與外管相連接的部分，考慮了x方向的附加位移，同時假定y方向和z方向附加位移為零。蒸汽溫度較高時，在z方向會產生很大的膨脹量，由于管道的柔性較差，會造成圖1中管口3的受力超標；管口2與管口1除了z方向膨脹量的問題之外，還存在塔和再沸器豎直方向膨脹量不同的問題。通常，在空間位置允許的情況下可考慮增加管道的柔性，以保證設備管口的受力處在允許值以下，保證裝置的安全運行。方案如圖3所示。

圖3　管道模型增加柔性

從圖3中的方塊標注可以看出，若要增加管道的柔性，對于蒸汽管道與外管連接的位置，需先將蒸汽管道沿著外管方向平拐一段距離，再和外管相連接，用來吸收z方向的部分管道膨脹量；二氯乙烷管道需要增加直管段的長度。這兩種方案都會導致材料用量的增加，且蒸汽管道的配管方式并不美觀，所以考慮是否可以在不改變配管的前提下增加設備的柔性，而設備唯一可以變更模擬的方式就是支架的模擬。塔器的裙座直接固定在地面上，所以塔的支撐方式考慮采用固定支架，再沸器通過支耳固定在鋼結構上，考慮將鋼結構模擬進模型中，檢測是或否會減少管口受力。

3.5計算結果對比

3.5.1最大應力分布

圖4為一次應力與二次應力的最大值與許用應力的比，即工況L4，L5，L6，L7在純管道模型和管道-鋼結構復合模型中的最大應力對比。

圖4　應力對比

從圖4可以看出，在L4和L5工況下，純管道模型出現的最大應力點所占許用應力的比例要小于鋼結構復合模型的應力占比，原因是一次應力主要是由管道和設備自重產生的，其變化主要取決于支架形式和數量的變化，鋼結構-管道復合模型中的工字鋼支撐剛度較小，會產生撓度變形，使一次應力變大，結果符合理論分析。在二次應力（即L6和L7）工況下，鋼結構復合模型的應力情況好于純管道模型，這是因為二次應力主要是由熱膨脹引起的，管系的柔性越好，應力情況就越好。

3.5.2再沸器支架撓度驗證

鋼結構-管道復合模型的柔性較好，主要是通過再沸器支耳位置工字鋼撓度的變化來實現的。模型中鋼結構模型產生的撓度是否真實合理對結果的真實性影響很大，需要通過簡單的理論計算來驗證軟件計算的準確性。以圖1中再沸器支耳1為例進行驗算，支耳放在梁的中心，可以近似考慮為簡支梁中心受到一個集中載荷，采用式（2）[2]進行計算。

式中，w為撓度，mm；F為集中應力載荷，N；E為彈性模量，GPa；l為工字鋼長度，mm；I為慣性矩。

從CAESARⅡ軟件中讀取到的支耳1的受力為-69065 N，帶入公式，則理論計算的撓度為-2.588 mm，軟件的計算值為-2.522 mm，理論值和軟件值相差2.5%左右。考慮在實際鋼結構中，支撐再沸器的工字鋼梁的約束條件和簡支梁有所區別，而在工程中，10%以內的誤差是可以接受的，故可認為軟體計算準確。

3.5.3設備管口載荷

以圖1中再沸器和塔器的三個管口作為計算對象，在L2和L3工況下，純管道模型和鋼結構-管道復合模型中的受力情況分別見表3和表4。

表3　L2工況管口載荷

由表3和表4的管口載荷數據可以發現，鋼結構-管道復合模型中三個管口的受力比純管道模型大幅降低，且結果準確可靠。

4　結論

分析了設備支撐的兩種模擬方式對管口載荷的影響，通過CAESARⅡ軟件對再沸器支撐鋼結構的真實模擬，對比了在純管道模型和鋼結構-管道復合模型中3個管口的載荷變化，可以看出在引入鋼結構的模擬后，設備管口的載荷得到了大幅改善，結果更趨于真實情況，缺點是鋼結構的模擬過程比較繁雜，會增加工作量，不利于工作效率的提升，所以給出以下建議：

表4　L3工況管口載荷

（1）對于普通管系，設備支撐的剛性模擬結果傾向于保守，但只要能滿足設備管口的載荷要求，即可采用普通的剛性模擬。

（2）當設備管口受力過大時，可通過引入鋼結構的模擬，得到更真實、更有利于管口載荷的結果，既可以保證管系的美觀也可以節約材料、節省投資。

[1]唐永進.壓力管道應力分析[M].2版.北京：中國石化出版社,2010：157.

[2]劉鴻文.材料力學[M].4版.北京：高等教育出版社, 2004：190.

Influences of Two Simulation Methods of Equipment Support on Nozzle Load

Nie Lei

The purpose of piping stress analysis is to ensure the safety of equipment and pipelines.On this premise, the pipeline aesthetics and economy should be ensured and unnecessary flexible bends should be avoided.The reboiler pipeline is analyzed by CAESARⅡ,the support is simulated with two models,rigid support unit and steel structure unit. The calculation method of the steel structure unit parameters is introduced.The conclusion that using the steel structure support can reduce the nozzle load and save material has been drawn.

Steel structure;CAESARⅡ;Equipment support;Nozzle load

TP 391.9

聶磊 男 1983年生 碩士工程師主要從事化工工程管道應力分析工作

2015年7月