管道应力分析程序使用的深入探讨

文渊

摘 要：文章探讨了管道应力分析程序CAESAR II选择弹簧的机理，并分析了CAESAR II与另一管道应力分析程序GLIF的概念异同。

关键词：CAESAR II；GLIF；弹簧支吊架；冷位移；热位移；理论安装荷载；持续荷载；操作荷载

中图分类号：TQ05 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0109-02

电厂动力管道，特别是输送高温、高压介质的汽水管道是承受高温、高压的金属结构件，其必须满足强度安全不等式[1] [2]。管道应力分析是电厂动力管道设计的重要环节。

目前国内广泛采用有限元计算软件进行管道应力计算，如东北电力设计院编制的有限元程序GLIF。GLIF多年来广泛应用于国内大中型机组的管道应力分析。

美国COADE公司的管道应力分析软件CAESAR Ⅱ作为国际流行的管道应力分析软件，自20世纪90年代被国内石化系统设计企业引进后，正在被越来越多的国内工程公司和应力分析工程师所采用。CAESARII自4.3版起已将中国电力的弹簧库纳入软件，并在600 MW及以上的机组中获得了广泛应用。

但是，CAESARⅡ作为国外的工程软件，目前并不遵循国内规范（如DL/T，5366-2006《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》）。特别是在计算管系作用力与弹簧选型时与国内电力设计企业的习惯做法并不相同。了解应力分析程序选择弹簧的机理，对管道应力分析有着重要的指导意义。CAESARⅡ和GLIF两款软件虽然概念不完全一样，但原理是相同的。

1 管道的状态线

我们知道，引起管道变形位移的诸因素，主要有支吊架附加反力、管道端点附加位移、管道热胀冷缩、管道冷紧等[3][4]。这些因素，并非始终存在于管道的各种状态中。即管道在不同状态下，由于引起管道变形位移诸因素的不同组合叠加，其管线形状也不同，管道在某一状态下的管线形状称为该状态下状态线。

1.1 设计线

刚开始进行管道设计时，管道被看作是一根无重量的弹性线，这根不考虑任何因素作用的状态线称为管道的设计（理论）线。

1.2 安装线

在考虑管道疏水坡度的坡切和冷紧的割短后，管道位置就不是原来的设计线，它是管道安装时（冷紧前）的实际位置线，称为管道的安装线。此时对应的管道荷载称为理论安装荷载。水平管道安装后就成为一根稍微倾斜的管道，它的两端与垂直管段相交的角度不再是90 ？觷，垂直管段的长度尺寸亦要相应缩短。

1.3 冷态线

冷态（持续态）线是以安装线为基准，考虑管道自重、支吊架在冷态的附加力和冷紧引起管道变形位移的叠加。此时的位移称为冷位移，对应的管道荷载称为冷态（持续）荷载。需要说明的是，由于施工精度的关系，目前现场已很少采用冷紧施工。本文中的叙述也不再涉及冷紧。

1.4 热态线

热态（操作态）线是以冷态线为基准，考虑管道热膨胀和管道端点附加位移引起管道变形位移的叠加。此时的位移称为热位移，对应的管道荷载称为热态（操作）荷载。

2 GLIF与CAESAR II选择弹簧机理的异同

2.1 CAESAR II的工况的定义

以下是一个含有弹簧支吊架的管系的典型工况：

CASE1（HGR）=W，即弹簧设计工况；

CASE2（HGR）=W+D+T+P，即弹簧设计工况；

CASE3（OPE）=W+D+T+P+H，即热态（操作）工况；

CASE4（SUS）=W+P+H，即冷态（持续）工况；

CASE5（EXP）=CASE3-CASE4，即膨胀工况。

其中：

W表示管系自重，kg；

D表示端点附加位移，mm；

T表示温度，℃；

P表示内压，MPa；

H表示弹簧的附加反力，N。

2.2 CAESAR II选择弹簧的机理

工程上，一般按“热态吊零”的载荷分配原则确定弹簧支吊架的受力。所谓“热态吊零”，是指弹簧支吊架在热态时承受的力应等于冷态时由管系分配给它的力。其优点是按这样的原则确定的弹簧支吊架受力使得整个管系中各支承点承受的自重力在热态时比较均匀。

CAESARII设计弹簧是通过两个弹簧设计工况来完成的，如图1所示。

第一步：计算弹簧支吊点的分配荷载。

在工况1中，CAESARII用刚性约束替代弹簧，进行管系荷载分配计算，得到的荷载即为弹簧的热态（操作）荷载HL。

第二步：计算弹簧支吊点的计算热位移。

在工况2中，CAESARII 将工况1中计算出的热态荷载指定给弹簧，并将弹簧刚度置为零，对管系作静力计算，得到弹簧支吊点的计算热位移TH。

第三步：选择弹簧。

由前两步得到的热态（操作）荷载HL和计算热位移TH这两个参数，软件就可以按照弹簧选择规则从软件内置的弹簧表中确定一个弹簧刚度值k，自动选出弹簧，并计算出“理论安装载荷”TIL值。并以该值为弹簧整定值。

理论安装载荷TIL=热态（操作）荷载HL+弹簧刚度k×（±位移量TH）。当位移量向上时，位移量取正值，反之则取负值。

至此，弹簧的选择已经完成。但应力计算尚未结束。

最后，CII利用设计出的弹簧，将H（即考虑弹簧的刚度因素）作用于其它工况中，进行管系载荷、位移等计算。在工况3中，得到弹簧的热态（操作）荷载HL和弹簧的计算热位移TH。在工况4中，得到弹簧的冷态（持续）荷载CL和弹簧的冷位移CD。在工况5中，得到弹簧的热位移HD。

下面举例说明。

有一弹簧设计值为HL=5 000 N，TH=25 mm，k=20 N/mm，理论安装荷载为TIL=5 500 N。当管系安装完毕，拔出弹簧的定位销后，如果管道很柔，过大的理论安装荷载会使此点管道产生冷位移15 mm，同时荷载降低至5 500-15×20=5 200 N。

如果管道受热，关于计算热位移25 mm不难理解。因为管道向上移动，弹簧释放，管道荷载降低，弹簧荷载降低——直至和重量平衡，弹簧不再向上拉管道。

2.3 国内电力设计院选择弹簧的方法

上述弹簧设计方法是国外95%的设计采用的通用方法，然而国内电力的做法与上面并不完全相同。以程序GLIF为例。

前两步与CAESARII相同，同样如图1所示。

第三步：选择弹簧。由前两步得到的热态（操作）荷载HL和计算热位移TH这两个参数，软件就可以按照弹簧选择规则从软件内置的弹簧表中确定一个弹簧刚度值k，自动初选弹簧，并计算出“理论安装载荷”TIL值。

理论安装载荷TIL=热态（操作）荷载HL+弹簧刚度k×（±位移量TH）。

当位移量向上时，位移量取正值，反之则取负值。

然后，利用初选出的弹簧，将H（即考虑弹簧的刚度因素）作用于其它工况中，进行管系载荷、位移等计算。在工况3中，得到弹簧的热态（操作）荷载HL和弹簧的计算热位移TH。在工况4中，得到弹簧的冷态（持续）荷载CL和弹簧的冷位移CD。在工况5中，得到弹簧的热位移HD。

第四步，用热态（操作）荷载HL和热位移HD这两个参数，重复第三步进行反复的迭代运算，直至选出唯一的弹簧为止。并用该荷载和热位移计算出各工况数值。并以弹簧的冷态（持续）荷载CL为弹簧整定值。

下面分两种情况举例说明。

2.3.1 弹簧不跳档

计算出的弹簧设计值仍为：

HL=5 000 N；

CL为5 200 N；

HD=10 mm，k=20 N/mm；

理论安装荷载为：TIL=5 500 N。

电力院将定购预压冷态荷载为5 200 N的弹簧并安装。

这与国外定购预压理论安装荷载为5 500 N的弹簧没有区别，所不同的只是现场安装方式：一种情况是通过预压弹簧荷载至TIL 5 500 N，然后现场拔去弹簧定位销，弹簧荷载“漂移”至CL 5 200 N，另一种是通过现场调整支吊架的花兰螺丝，使弹簧刻度保持在CL上，然后再拔销。

2.3.2 弹簧跳档

计算出的弹簧可能发生跳档。跳档的优点是在大荷载的场合下，程序能够选出位移相对比较小的弹簧，比较经济。缺点是不得不在现场检查和调整弹簧，确保弹簧刻度在CL点。下表举例列出了某一弹簧支吊架在计算弹簧行程时是否计入弹簧刚度的工况下的不同计算结果（序号1为未计入弹簧刚度，序号2为计入弹簧刚度）。大小弹簧的相关数值见表1。

从上表可看出，在计算弹簧行程时计入弹簧刚度，计算出的弹簧可能发生跳档，设计人员能够选择较小的弹簧。

在CAESARII4.4及其后的版本中，软件已应中国电力设计企业的要求为设计人员预留了自由选择“在计算弹簧行程时是否计入弹簧刚度”的选项。

3 结 语

CAESARⅡ作为国外的工程软件，在弹簧选型时与国内电力设计企业的习惯做法不一致，并且软件本身不包括国内的应力计算规程。

因此，设计人员应在软件配置中进行特别设置，确保其输出结果符合国内弹簧选型习惯及国内应力计算规程。

参考文献：

[1] DL/T 5366-2006，火力发电厂汽水管道应力计算技术规程[S].

[2] 王致祥，梁志钊，孙国模，等.管道应力分析与计算[M].北京：水利电力出版社，1983.

[3] 林其略，周美芳.管道支吊技术[M].上海：上海科学技术出版社，1993.