布置型式對動力管道異常大位移影響計算

鄧玲惠，王軍民，陳盛廣，程勇明，武彥飛，王必寧

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

目前在役動力管道由于生產加工原因實際壁厚與標準壁厚間存在偏差[1]；且承受管道載荷的恒力支吊架因結構及制造工藝的原因[2-3]，其實際輸出載荷與標定載荷間也存在偏差。這些因素導致管道支吊架實際承載與設計載荷不匹配而發生載荷轉移，該載荷作用在管道上，部分管道會出現豎直方向熱位移受阻、下沉或水平方向跑位等異常大位移現象，嚴重偏離了管道設計狀態線。

目前對于管道產生異常大位移的研究主要是針對管道的布置型式、支吊架配置類型、管道壁厚和附件重量等因素的定性分析[4-7]，而對不同管道布置型式下，管道異常位移的有限元計算分析及研究較少。本文針對空間2固定點間不同布置型式的管道，對其在管道壁厚偏差及支吊架性能相同時冷、熱位移進行計算分析，揭示動力管道異常大位移的成因和機理，并提出管道異常大位移的解決方法。

1 計算模型與方法

本文以空間位置固定的兩端點，其間布置4段管段的管系為研究對象。為簡化問題，假設兩端點A、B的坐標為(0, 0, 0)與(3 000, -3 000, -3 000)，單位mm。4段管系在X、Y、Z3個方向均布置有管段，且同一方向上2段管段長度的比值為1:3或1:1。采用管道應力有限元分析軟件CAESARⅡ，按照DL/T5366—2014等相關標準建立所有4段管系的計算模型，管道應力分析時的計算參數見表1。通過對管系位移、應力及接口推力的計算分析[8-13]，兩端點間布置的空間4段管系共有31種（圖1），位移、應力及接口推力相同的合并。對31種4段管系在豎直方向上的剛度進行計算，得出各種管型的剛度值，具體如圖2所示，其范圍為461.0~8 064.5 N/mm。

表1 管道應力計算主要參數Tab.1 Main parameters of pipe stress calculation

圖1 兩固定空間點間31種管道布置型式的4段管系Fig.1 The four section pipeline with 31 pipe layouts between two fixed space points

圖2 31種管道布置型式的豎直方向剛度Fig.2 The vertical stiffness of 31 pipe layouts

2 計算結果與分析

2.1 不同布置型式管道的4種計算狀態

為掌握豎直方向剛度不同管道的力學特性，選取豎直方向剛度最小的管型1與豎直方向剛度最大的管型4，將這2種管型各管段長度均增至原長的4倍，為避免不同類型支吊架對管道豎直方向剛度影響，管道上僅布置恒力支吊架（圖3），管型1及管型4的計算模型如圖4所示。

圖3 管型1及管型4上支吊架布置方式Fig.3 The layout of supports and hangers on type 1 and type 4 pipe

圖4 管型1及管型4計算模型Fig.4 The analysis model of type 1 and type 4 pipe

根據《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T5310—2017）規定[14]，管道允許的壁厚偏差為-10%S~+12.5%S，S為管道的壁厚。根據《火力發電廠管道支吊架驗收規程》（DL/T 1113—2009）[15]，恒力支吊架的恒定度應不大于6%。對管道分別設置表2中的4種計算狀態，分析研究其在豎直方向載荷影響下位移的變化。其中狀態1（理想狀態）是恒力支吊架恒定度為0，管道無壁厚偏差，常規動力管道力學分析均依據該理想狀態計算。

表2 管道的計算狀態Tab.2 Calculation states of the pipeline

2.2 不同布置型式管道冷位移的變化

4種狀態下管型1與管型4各吊點X、Y、Z方向冷位移如圖5—圖7所示。由圖5—圖7可見，當管道存在壁厚偏差時，管型1與管型4各吊點的冷位移沿X、Y、Z3個方向均發生明顯變化。當管道壁厚偏差-10%時，管型1在X、Y、Z3個方向冷位移的最大變化值分別達到98、82、287 mm，而管型4的最大變化值僅為28、4、23 mm。當管道壁厚偏差為12.5%時，管型1在X、Y、Z3個方向冷位移的最大變化值分別為87、72、252 mm，而管型4的最大變化值僅為24、3、20 mm。

圖5 4種狀態下管型1與管型4各吊點的X方向冷位移Fig.5 The X-direction cold displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

圖6 4種狀態下管型1與管型4各吊點的Y方向冷位移Fig.6 The Y-direction cold displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

圖7 4種狀態下管型1與管型4各吊點的Z方向冷位移Fig.7 The Z-direction cold displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

當恒力支吊架存在6%的恒定度時，管型1與管型4各吊點的冷位移在X、Y、Z3個方向均發生明顯變化，其中管型1沿X方向冷位移的最大變化值達到46 mm，管型4僅為9 mm；管型1沿Y方向冷位移的最大變化值達到37 mm，管型4僅為1 mm；管型1沿Z方向的冷位移最大變化值達到128 mm，管型4僅為9 mm。

綜上所述，當管道上設置的支吊架類型及性能相同時，不同管型上各吊點的冷位移對管道壁厚偏差及恒力支吊架恒定度的敏感度是不一樣的，管道豎直方向剛度越小，即管道豎直方向越柔軟，管道冷位移的變化量越大，反之越小。管重的變化及恒力支吊架恒定度直接影響了各吊點豎直方向（Z方向）位移變化，豎直方向位移變化再引起水平方向（X、Y方向）位移變化，水平方向位移的變化是適應豎直方向位移變化的結果；即：雖然水平方向位移變化是因變量，但只要能對其進行限制，也可以在一定程度上減小豎直方向位移的變化量。

2.3 不同布置型式管道熱位移的變化

4種狀態下管型1與管型4各吊點X、Y、Z方向熱位移如圖8—圖10所示。

圖8 4種狀態下管型1與管型4各吊點的X方向熱位移Fig.8 The X-direction hot displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

圖9 4種狀態下管型1與管型4各吊點的Y方向熱位移Fig.9 The Y-direction hot displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

圖10 4種狀態下管型1與管型4各吊點的Z方向熱位移Fig.10 The Z-direction hot displacement of hangers of type 1 and type 4 pipe under four conditions

由圖8—圖10可見，當管道有壁厚偏差時，管型1與管型4各吊點的熱位移沿X、Y、Z3個方向均未發生明顯變化。當恒力支吊架有6%的恒定度時，管型1與管型4各吊點的熱位移沿X、Y、Z3個方向均發生了變化，其中管型1在X、Y、Z3個方向熱位移最大變化值為15、8、20 mm，而管型4的最大變化值僅為9、2、8 mm。

由此可見，不同布置型式管道，其上各吊點熱位移對恒力支吊架恒定度的敏感度不一樣，管道豎直方向剛度越小，管道熱位移變化量越大，反之越小，但管道壁厚偏差對管道熱位移基本無影響。

3 結論及建議

1）布置型式對管道在豎直方向的剛度影響較大，在管道支吊架實際承載與設計載荷不匹配而發生載荷轉移時，布置型式在豎直方向上剛度較小的管道易產生異常大位移。

2）不同布置型式的管道，其上各吊點的冷位移對管道壁厚偏差及恒力支吊架恒定度的敏感程度存在差異，管道越柔軟，管道冷位移的變化量越大。

3）不同布置型式的管道，其上各吊點的熱位移對管道壁厚偏差及恒力支吊架恒定度的敏感程度不一樣，當管道上的恒力支吊架存在恒定度時，豎直方向剛度小的管道，熱位移的變化量越大；管道壁厚偏差對管道的熱位移基本無影響。

4）建議采用優化管道布置形式的方式對易發生異常大位移的管道進行布置改進。選取豎直方向剛度大的布置型式，降低其對豎直方向載荷變化的敏感度，減少異常位移的幅度。同時，在管道及其支吊架的改造與日常維護中，采用尺寸偏差較小的管道，并選擇恒定度小、質量優良的恒力支吊架，加強對管道及支吊架的檢查與監督，及時發現問題。

5）空間管道兩端點的位置可以是任意的，本文僅討論了其中的一種情況。但可以通過計算兩端點間布置的所有管型在豎直方向上的剛度值，根據不同管型間剛度值的相對大小，判斷其是否易于產生異常大位移。剛度小的管型相對剛度大的管型來說，對管道上實際輸出載荷與標定載荷間的載荷偏差會更敏感，發生異常大位移的可能性會更大。