基于CAESARII的高層建筑空調管道應力的溫度影響分析

黃正凱,鄧亞宏,肖 陽,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

在高層建筑中應力分析是空調管道工程設計的基礎,是保證管道安全運行的一種重要方法。目前管道應力分析在優化設計、安全生產、節約材料等方面起到了重要作用,并已在石油、化工、電力、建筑等領域的管道設計中占據了十分重要的位置[1]。

國內外許多學者對各種管道進行應力分析。張樺輸水管線里的埋地鋼管進行了受力分析,提出了減小應力危害的措施和方法[2]；邢一東通過CAESARⅡ對汽輪機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]；鄭明秀則是利用CAESARⅡ對600 MW火力發電機組主蒸汽管道進行動態分析,提出管道設置改進方案[4]。

目前對于高層建筑空調管道的應力分析目前研究的較少,民用高層建筑的暖通空調系統采用大量的管道進行水介質的輸送,不同空調系統所采用的管道系統也有所區別。研究表明,不同類型的管道承受載荷的能力不同,由壓力、溫度等因素引起的應力值改變量也不相同。使用應力分析軟件CAESARⅡ對某段空調管道進行應力分析,通過改變管道溫度,得出溫度對空調管道應力的影響規律,為暖通空調管道的設計和施工提供安全依據。

2 管道模型的建立

本文構建了某空調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,起點和終點分別設置一個固定支架,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。

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φ273×12.7mm的管道,管道壓力設定為2MPa。由于當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。由于輸水管道的溫度變化范圍較大故將管道溫度分為低溫、常溫、中溫和高溫四個區間對管道應力進行分析。其溫度具體分區如表1所示。

表1 溫度分區表

3 結果與分析

對各溫度區間的管道應力計算結果匯總,結果表明在不同溫度下操作應力最大位置處于兩彎頭之間的結合部位,將其作為對象研究管道的操作應力,操作應力過高可能導致管道的疲勞破壞和脆性斷裂。而二次應力最大位置則在管道尾端固定支架節點處,將其作為對象研究管道的二次應力,二次應力過高會導致管道的疲勞破壞。將各個溫區內的應力計算結果分別進行分析如圖2-9所示,同時對各曲線進行擬合。

3.1 低溫區管道應力分析

由圖2和圖3可知,在低溫區間內,管道操作應力隨著溫度的升高而減小,減小幅度很小,當溫度增大10℃,其操作應力減小50kPa,減小幅度很小,其擬合直線的斜率為-5.2。由于操作應力是由于荷載和局部結構發生突變產生的,所以說在低溫區,溫度的變化對管道的局部結構影響很小,所以對管道應力影響不大。管道的二次應力隨著溫度的升高而增大,并且增大幅度明顯,在此溫度區間內溫度每升高10℃,二次應力增大近8000kPa。其擬合直線的斜率為789.2。由此可見,在低溫區內,管道溫度對于二次應力的影響要遠大于對操作應力的影響,所以對于低溫管道要注意對二次應力的校核。

圖2 低溫區操作應力與溫度關系

圖3 低溫區二次應力與溫度關系

3.2 常溫區管道應力分析

由圖4和圖5可知,在常溫區間內,管道操作應力隨著溫度的升高而減小,但是減小幅度很小,其擬合直線的斜率為-3.1,斜率比在低溫區的還要小,說明在常溫區間內溫度對管道操作應力的影響很小,管道的結構穩定。而對于管道的二次應力隨著溫度的升高而增大,并且增大幅度明顯,其擬合直線的斜率為802.2。由于管道在高于20℃時開始膨脹,其二次應力隨著溫度上升逐步提高。

圖4 常溫區操作應力與溫度關系

圖5 常溫區二次應力與溫度關系

3.3 中溫區管道應力分析

由圖6和圖7知,在中溫區內,管道操作應力的變化規律相對于低溫區產生了很大變化,其隨溫度的升高而增大,并且可以看出早35-40℃之間其應力增長速率明顯小于40-65℃,說明隨著管道溫度的升高,管道的局部結構發生了較大變化,產生了較大的局部應力。其總體擬合直線的斜率為728.5。管道的二次應力隨溫度的升高而增大,其擬合直線的斜率為825.5,比低溫區和中溫區的擬合直線斜率都要高,表明管道此時發生了更大的熱膨脹。

圖6 中溫區操作應力與溫度關系

圖7 中溫區二次應力與溫度關系

3.4 高溫區管道應力分析

由圖8和圖9可知,在高溫區,管道操作應力隨溫度的升高而大幅增大,到95℃時,操作壓力約為90000kPa,其擬合直線的斜率為851,對于高溫的空調管道,過大的操作應力會使管道會有脆性斷裂和疲勞破壞的風險。管道二次應力隨著溫度的升高而增大,在95℃時達到約78000kPa,其擬合直線的斜率為856。由于二次應力是由于變形受到約束所產生的正應力或剪應力,它本身不直接與外力平衡,二次應力是自限性的,當局部屈服和產生少量塑性變形時,通過變形協調可以使過高的應力降下來。

圖8 高溫區操作應力與溫度關系

圖9 高溫區二次應力與溫度關系

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,通過改變管道的溫度,對比分析結果,得出如下結論：①空調管道在常溫區間有最小的管道操作應力：當溫度處于5-35℃時,空調管道操作應力隨著溫度的升高而減小,但管道操作應力整體變化幅度極小；②當管道溫度處于35℃-95時,空調管道操作應力隨著溫度的升高而增大,并且管道整體應力變化幅度很大,其幅度大小約為低溫時變化幅度的200倍；③管道的二次應力隨著溫度的升高而增大,并且較高的溫度對于管道二次應力的影響更大。

因此在高層空調管道工程設計中,確定管道的適用條件需要考慮溫度對管道應力的影響,特別是在管道一些關鍵部位如管口、彎頭、三通等應力較大點應該重點關注,以確保空調管道設計的合理性以及運行安全。