基于CAESARII的管徑對高層建筑空調管道應力影響分析

孫志國,孟劍虹，彭江海,聶偉,楊仲卿,孟勝利

(1.中建三局第二建設工程有限責任公司,湖北 武漢 430070；2.重慶大學能源與動力工程學院,重慶 沙坪壩 400000；3.中國電建集團華中電力設計院有限公司,河南 鄭州 450007)

1 引言

對于高層建筑而言,合理的管道設計以及布置以及全面的管道應力分析是確保空調管路安全的重要措施[1]。國內外許多學者對各種類型的管道進行了應力分析研究。張樺通過對輸水管道中的埋地管道進行分析,總結出了對管道有很大危害的應力類型并且提出了預防措施和建議[2]。；李進春通過CAESARⅡ對高爐改造工程制氧機系統主蒸汽管道進行了建模與應力分析,通過比較不同支吊架設置以及管道走向得出最佳方案[3]；杜明俊則是利用CAESARⅡ建立了合理的埋地熱油管道應力分析模型并進行數值計算,分析了操作溫度與安裝溫度差值、管道埋深、土壤內摩擦角等參數對管道局部推力和位移的影響[4]。

高層建筑空調管道的應力通常可以分為一次應力、二次應力和操作應力這幾種。其中管道的一次應力過高會導致管道的斷裂破壞,二次應力過高會導致管道的疲勞破壞, 操作應力過高可能導致管道的疲勞破壞和脆性斷裂[5]。由于不同管徑的管道受承受的應力水平不同,因此探究不同管徑管道的應力變化規律具有重要意義。本文利用應力分析軟件CAESARⅡ在定壓和定溫的兩種工況下通過對不同管徑的管道進行應力分析,得出管徑對管道應力影響規律,為空調管道的合理設計提供理論依據。

2 管道模型的建立

本文截取了某暖通空調系統中冷卻水管道系統的一段管道模型,管道采用滑動支架和導向支架作為支撐,分別在起點和終點設置一個固定支架,用以截斷研究對象以外管道對模型的影響,管道具體支吊架設置和管道走向如圖1所示：

圖1 管道模型

根據實際暖通空調安裝的常用工況管材采用了常用的20號鋼材的管道,為了探究不同管徑管道在不同溫度壓力條件下的應力規律所以設置了兩種工況。工況一是在管道壓力一定的條件下通過設置幾個不同溫度梯度來探究不同管徑管道的應力情況,由于一般空調系統制冷時一般輸水溫度為7℃-12℃,制熱時輸水溫度為40-45℃,而鍋爐房輸水溫度一般在70℃以上,所以此工況下設置三種溫度分別是10℃、40℃、70℃,管道壓力則固定為2.5MPa。工況二則是在管道溫度一定的條件下通過設置幾個不同的壓力梯度來探究不同管徑管道的應力情況,管道壓力分別設置為1Mpa、3Mpa、5Mpa,溫度固定為25℃。兩種工況下所采用的管道管徑及壁厚如表1所示。

表1 管徑壁厚表

3 結果與分析

對各兩種工況下各不同管徑管道應力計算結果匯總,結果表明在這兩種工況下操作應力和二次應力的最大節點為140節點,其位置為彎頭如圖2所示,將此處作為對象研究管道的操作應力和二次應力。而一次應力最大節點為160節點,其位置為管道中部外部布置有滑動支架,其位置如圖3所示。將此處作為對象研究管道的一次應力。將定壓和定溫兩種工況下的應力計算結果分別進行分析如圖4-9所示。

3.1 定壓工況下管道的應力分析

3.1.1 定壓工況下操作應力分析

由圖4知在定壓條件下(管道壓力為2.5MPa),管道的操作應力隨著管徑的增大而增大。同時對比三條不同溫度的應力曲線可以得出在不同溫度水平下,由于管道直徑的變化引起的操作應力的變化幅度不同。其中在較高溫度下,隨著管道管徑的變化,管道的操作應力上升的更加明顯。相比之下在10℃時,隨著管徑的變化,管道的操作應力僅有小幅上升。因此對于管徑因素對管道操作應力的影響區域應在較高溫度區域。由圖4知對于同一管道管道溫度和壓力不變的條件下,隨著管徑的增大,管道操作應力的上升速率在減小。由圖4可知對于同一材質管徑的管道其操作應力隨著溫度的升高而升高。

管道的操作應力主要受自重應力載荷、溫度應力載荷、壓應力載荷影響。在工況一的條件下,管道的壓力不變,所以管道的操作應力主要受自重應力載荷和溫度應力載荷影響。而管道的管徑的變化主要影響自重應力載荷、管道溫度的變化主要影響溫度應力載荷,兩者的影響效果不同,在較低溫度下,溫度對操作應力的影響起主導作用。

圖4 工況一管道操作應力和管徑關系

3.1.2 定壓工況下一次應力分析

一次應力是由于壓力載荷和持續載荷作用的結果,所以對于同一管徑管道,在壓力不變的情況下,管道的一次應力與溫度應力載荷無關。由圖5可以看出管道的一次應力隨著管徑的增加呈減小趨勢,但隨著管徑的增大一次應力增加的幅度越來越小,趨于恒定。

圖5 工況一管道一次應力與管徑關系

3.1.3 定壓工況下二次應力分析

由圖6可以看出在定壓工況下管道的二次應力的變化情況與操作應力類似,都隨管徑的增加而增大,并且在較高溫度下二次應力增長的更加顯著。而對于同一管徑的管道來說,溫度的上升會使二次應力顯著增大。管道的二次應力主要是由熱脹冷縮和端點位移造成的。對于操作應力而言,其在較高溫度區域受管徑影響更大,在較低溫度區域受管徑影響很小,并且管道的一次應力與溫度應力載荷無關,所以管道的二次應力隨管徑變化規律與操作應力類似。

圖6 工況一二次應力與管徑關系

3.2 定溫工況下的管道應力分析

3.2.1 定溫工況下操作應力分析

圖7 工況二操作應力與管徑關系

由圖7可知,在溫度不變的情況下(管道溫度為25℃),管道的操作應力隨著管徑的增加呈上升趨勢。當管徑較小時,由管徑增大引起的管道操作應力的增大幅度比管徑較大時的幅度大。而對于同一管徑的管道而言,在溫度不變的情況下管道的壓力越大,操作應力越大,并且在不同壓力水平下,管道的操作應力隨管徑變化的規律類似。管道的操作應力主要受自重應力載荷、溫度應力載荷、壓應力載荷影響。在定溫工況下,溫度應力載荷保持不變,所以操作應力受自重應力載荷和壓應力載荷影響。管徑的增大會使自重應力載荷增大,而管道壓力的增大使壓應力載荷增大,兩者共同影響管道的操作應力。

3.2.2 定溫工況下一次應力分析

圖8 工況二一次應力與管徑關系

由圖8可知,在溫度不變的情況下(管道溫度為25℃),管道的一次應力隨著管徑的增加在整體上呈減小的趨勢。但是在管道壓力為5Mpa時,管道的一次應力隨著管徑的增大先是略微增大,然后是顯著減小,最后是區域穩定。而對于管道壓力分別為1MPa和3MPa的管道而言,管道的一次應力一直隨著管徑的增大而減小。對于同一管道而言,在溫度不變的情況下,管道壓力越大其一次應力也越大。

3.2.3 定溫工況下二次應力分析

由圖9知管道的二次應力隨著管徑的增大而增大,并且呈較好的線性增長趨勢。由于管道的二次應力反映的是管道受到熱脹冷縮和端點位移時產生的位移,所以對于同一管道而言,在溫度不變的情況下,壓力的變化對二次應力的大小沒有影響。

4 結論

通過運用應力分析軟CAESARⅡ對某空調管道進行了應力分析,通過在定壓和定溫工況下改變管道的管徑對管道的操作應力、一次應力和二次應力進行分析,得出如下結論：

圖9 工況二二次應力與管徑關系

(1)在定壓和定溫的兩種工況下,管道的操作應力都隨管徑的增大而增大。在定壓工況下,管道溫度越高,操作應力增大的趨勢更加明顯,管道在低溫時,操作應力變化幅度不大；

(2)在定壓和定溫的兩種工況下,管道的一次應力隨著管徑的增加呈減小趨勢。對于同一管徑的管道的而言,溫度恒定時,管道的壓力越大一次應力越大；

(3)在定壓和定溫的兩種工況下,管道的二次應力都隨管徑的增加而增大。對于定壓工況而言在較高溫度下二次應力增長的更加顯著。而對于同一管徑的管道來說,溫度的上升會使二次應力顯著增大。

因此,在設計高層建筑的空調管路時,需要考慮管道的溫度、壓力、以及所要承受的載荷來選擇合適的材質管徑的管道,同時需要合理的管道支吊架布置,以確保空調系統的安全可靠運行。