某項目管道固定支座力學分析方法研究

孫 浩

（中國原子能科學研究院）

管道支架是指用于地上架空敷設管道支承的一種結構件，廣泛應用于核工程、化工及石油等領域。 按照支架功能可分為固定支架、滑動支架、導向支架及彈簧支架等。 管道支架及其所支撐的管道，需要承受自重、壓力、熱膨脹及地震等多種復雜荷載，支架的機械完整性直接關系到管道的安全運行。

袁鋒等采用能量平衡方法，對核輔助管道的防甩支架進行力學分析，結果表明其應力滿足規(guī)范要求［1］；梁向東等以核電站特殊框架式防甩擊支架為研究對象，基于能量法分析支架的吸能性能，評定其應力強度，并給出支架的最優(yōu)改進方案［2］；王驥驍等基于核級管道支架的力學分析，有針對性地提出非標支架優(yōu)化設計方案［3］；陳麗華和王志成對三連桿恒力彈簧吊架進行力學分析，得到彈簧力與回轉臂轉角的關系曲線，并利用有限元方法得到回轉臂不同轉角下的應力分布規(guī)律［4］； 馬兆國和吳春明采用理論分析與實踐案例相結合的方法，分析管道彈簧支吊架的選型［5］；王敏等針對某支吊架管夾的斷裂失效，研究其斷裂機理，分析裂紋對管夾關鍵位置應力分布的影響，并對管夾進行優(yōu)化設計［6］；李海龍等運用有限元分析軟件，對重型雙孔管夾進行應力分析與評定［7］。

管道固定支架約束管道3個方向的線位移和3個方向的角位移， 在管道力學分析時常被確定用于解耦兩個管系，其承載力尤為重要，工程計算方法是常用的校核方法。 為此，筆者結合有限元方法與評定規(guī)范，創(chuàng)建簡化評定計算表，繼而提出一種管道焊接固定支座的簡化計算方法。

1 工程計算方法

某電廠管道固定支架采用焊接固定支座與管道連接，其結構外形如圖1所示，規(guī)格尺寸為D=89 mm、Do=80 mm、s =4.5 mm、H =200 mm、k =4.5 mm。 支架設計規(guī)范為ASME規(guī)范核2級，固定支座的材料與管道的相同，焊縫采用全焊透坡口焊。

圖1 焊接固定支座結構示意圖

支架選型時，需校核支承力Fz、綜合力Fxy和綜合力矩M值，具體的計算公式為：

圖2為A類工況下焊接固定支座許用荷載（B類工況下的荷載是A類工況的1.15倍，C類工況下的荷載是A類工況的1.33倍，D類工況是A類工況的1.50倍）。 該工程計算方法的優(yōu)點是操作簡單——若荷載均小于許用值則滿足設計要求，不足是偏保守——當單方向的荷載超出許用值后，即判定不滿足設計要求。 目前，工程中已廣泛采用有限元分析方法與ASME規(guī)范給出管道支撐件的評價準則。

圖2 A類工況下焊接固定支座許用荷載圖

2 簡化力學分析方法

2.1 評定規(guī)范

基于ASME規(guī)范（NF3650）要求列出支承件在設計和A級使用時的應力限制條件為：σ1≤1.0S，σ1+σ2≤1.5S （σ1為薄膜應力，σ2為彎曲應力，S為許用應力）。 因焊縫采用全焊透坡口焊，根據規(guī)范要求，其許用應力與母材相同，故無需特殊計算。

2.2 有限元模型

以DN80 mm管道焊接固定支座為例，管道的內壓為0.2 MPa。 利用ANSYS有限元分析軟件，通過SOLID186（高階3D20節(jié)點實體單元）單元建模（圖3），為了減少局部效應的影響，母管的長度取為800 mm；模型中有兩個母管端面，為了方便荷載的施加，在母管軸線與固定支座軸線的交點處建立兩個荷載作用點（幾何位置重合，分別命名為荷載作用點1、荷載作用點2），兩作用點與接管端面分別建立剛性單元。

圖3 焊接固定支座有限元模型

2.3 應力分析

選取固定支座的危險截面，結合容器的實際計算結果，選取兩個危險截面，分別命名為A和B（圖4）。 路徑劃分的數量與危險截面上實際模型的節(jié)點數量有關，在危險截面上將壁厚方向所有的節(jié)點路徑無遺漏地全部建立評定，此方法將人為的路徑選取評定工作，簡化為機械式的命令流操作，在保證計算結果無遺漏的前提下，既能準確得到各應力分量的數值，又能大幅提升工作效率。 在本算例的網格劃分時，設置每個危險截面上內壁與外壁有360對節(jié)點，相應劃分出360條路徑，截面A的路徑位置在管座與母管的焊接處；截面B的路徑位置在管座的根部。

圖4 固定支座的危險截面

在兩個荷載作用點分別施加3個方向的單位力（1 kN）和3個方向的單位力矩（1 kN·m），其中z方向為沿著管道軸向，y方向為沿著固定支座指向母管，x方向由右手螺旋定則確定。其中Fx1、Fy1、Fz1、Mx1、My1、Mz1為施加在荷載作用點1的3個方向上的力和力矩；Fx2、Fy2、Fz2、Mx2、My2、Mz2為施加在荷載作用點2上的3個方向上的力和力矩。按照采用ASME規(guī)范的第Ⅲ卷NF篇評定規(guī)則， 輸出應力結果為最大主應力和最小主應力絕對值的最大值，A、B兩個截面所有路徑上的應力結果如圖5、6所示。

圖5 單位荷載在截面A上各路徑線性化后的結果

圖6 單位荷載在截面B上各路徑線性化后的結果

在母管內壁施加單位壓力（1 MPa），輸出單位壓力荷載，每個危險截面上每條路徑的計算結果。A、B危險截面上所有路徑的應力結果如圖7所示。

圖7 管道內壓荷載在截面A、B上各路徑線性化后的結果

在管道焊接固定支座模型上，輸出每個荷載作用下（包括兩側管道支架荷載、管道內壓荷載，共13個荷載），每個危險截面的應力分析結果，并組建成荷載應力結果數據庫。 相同模型的固定支座（包括幾何尺寸、材料）的單位荷載應力結果數據庫是一致的。 因篇幅所限，僅列出有代表性的兩個危險截面，工程實踐時可根據具體情況選取多個危險截面。

2.4 結果評價

根據2.1節(jié)的評定規(guī)范要求，調用荷載應力結果數據庫，創(chuàng)建簡化評定計算表，根據每個實際管道荷載的大小， 縮放單位荷載的計算結果，將13組荷載的計算結果絕對值疊加，并根據評定規(guī)范添加評定限值，通過計算應力值與評定限值的大小關系，判定計算結論。

此方法的優(yōu)點為僅針對一個標準化的管道焊接固定支座模型開展建模加載計算工作，得到一個與之匹配的單位荷載作用下的應力結果數據庫，在針對相同結構、不同荷載的情況下，可實現批量計算，操作方便且效率高。

3 計算方法對比

針對2.2節(jié)的算例，采用工程計算方法，依據Fxy的許用荷載3.4 kN、Fz的許用荷載21.5 kN、M的許用荷載0.8 kN·m［8］，選取10組超出限制的荷載組合， 表1列出每組荷載中荷載與許用荷載的比例。

表1 各組荷載與許用荷載的比例 %

采用簡化力學分析方法和有限元分析方法，針對以上10組管道支架荷載開展力學計算，應力比結果如圖8、9所示。

圖8 截面A上每組荷載的應力比

4 結果分析

對比圖5～7的數據可知，采用簡化計算方法：單位荷載作用下，各路徑線性化后的應力結果具有對稱性，這與結構的對稱關系一致；力矩產生的應力結果要大于力產生的應力結果，說明單位力矩對此結構的應力結果影響較大；壓力荷載對靠近母管的A截面的應力結果影響大于固定支座根部B截面的應力結果影響。

對比圖8、9的數據可知， 針對超出工程評價方法的10組荷載，采用簡化力學分析方法和有限元分析方法的計算結果均滿足規(guī)范要求，說明工程計算方法余量較大；簡化力學分析方法的應力結果均大于有限元分析方法的應力結果，這是由于簡化計算方法采用應力結果當量疊加，使得最終的計算結果難免存在一定的保守性，有限元詳細計算方法采用應力場矢量疊加，相對更精確。

工程計算方法只校核管道焊接固定支座的合力，針對一側管道力非常大，另一側管道力非常小的情況未做討論，而且內壓荷載帶來的影響也未做討論。 簡化力學分析方法和有限元分析方法針對以上情況均有考慮，因而計算結果比工程方法更加準確。

5 結束語

筆者針對某項目管道焊接固定支座提出一種簡化力學分析方法，并結合工程方法和有限元方法對比分析，論證其保守性，可為解決此類工程問題提供借鑒。