弹性杆件热屈曲理论在工程中的应用

一、工程概况

研究目标为某家企业的降温降压器装置管道。该装置管道的基本概况为:管道结构为母-子管道构架, 母管道下系连接各分支管道。出现变形的基本概况为:管道无法正常工作, 内部异形十分明显, 基本呈卷曲起翘状态, 而异形最严重区域出现在上端横向管道, 位置大约处于间距管系总段左方向11米左右, 这部分垂直部分异形状况甚至达到95mm。由于管道内部结构承接力以及变温应力的不合理作用, 引起管道异形, 因此导致降温降压器装置运行时产生巨大的安全威胁。管道放置情况为上端和下端分别铺置, 装置不进行工作时处于框架上承重的梁柱结构, 而上端管道中间轴线与楼面结构的间距为600mm产生支撑。为保证管道的保温隔离作用, 外壁保温涂层为原棉纤维 (厚度为180mm) , 管道尺寸为Φ720×16mm以及Φ325×13mm, 材质为12Cr1Mo VG, 管道内部流动液体性质属于312℃高温高压, 状态为水蒸汽, 外部生产作业温度为50℃。另外, 管道因需要装置有安全保护阀门, 压力调节阀, 流体总量测试仪等其他设施。

二、结构模化

1. 模型简化

由于本文主要分析讨论的为管道变形, 因此部分管道装置设施并未进行详细介绍。在这之中, 压力调节阀装置于管道体系的前端, 承重结构之间的距离较小, 几乎不产生管道轴向伸缩, 在此将其定义为内部气压的极值变化点。而安全保护阀在普通情况下处于闭合状态, 只有在出现特殊情况或发生事故时启动, 而此处展开的研究分析皆处于正常运行的状态下, 因此安全保护阀不计入考虑。流体总量测试仪, 降温水支管以及其他装置占用空间皆较小, 几乎不影响管道整体坚硬度, 因此也难以影响管道发生异形, 在此也不计入影响因素。将上述设施简化处理后, 分析管道将其呈现出截面积型中空圆柱体。

因此, 得出如图1所示的管道模型, 管道体系由上下两部分组成, 垂直方向管道通过A点从上端楼面结构连接延伸至下端。由于A点管道位置受控于上端楼面结构, 因此只能影响Y方向的伸缩, 在X和Z方向并不造成影响。相应的, 下端管道在X和Z方向上的异形同样不反应至上端管道, 由于本文所研究的问题管道皆铺放于上端, 所以本文单独只将上端管道设定为分析目标, 而将下端管道以及上端楼面结构的作用视同为在A处管道位置添增在X和Z方向上的限制条件, 在Y方向上定义一个边界影响, 即管道内部结构承载力的伸缩∇。

由∇≤αTl=13.55×10-6×262× (3.73-0.6) m=0.0111m, 得, ∇=0.0111m

最后, 得出管道体系精简示意图如图2所示。

2. 问题分析及改造方案

如图2所示, 管道体系异形由以下两部分情况组成:

变形I:单独只将横向管道1-2热膨胀计入对管道异形的作用, 表现为, 管道体系在3处管道位置受限于楼面结构, 横向管道1-2发生热膨胀而无处排释, 造成横向管道出现严重卷曲异形, 进一步导致管道2-3产生明显变温应力施加于3处位置。

变形II:单独只将垂直方向管道2-3热膨胀计入对管道异形的作用, 表现为, 垂直方向的管道结构2-3产生热膨胀向横向管道1-2往垂直方向作用, 在2处实现管道内部结构承载力的伸缩。

针对变形I, 改进措施有下列三种:

1.将横向管道长度尽量减小, 至少小于限制内的最大值。

2.将管道内壁厚度以及整体管道直径扩增, 以此扩大管道限制的最大值。

3. 将管道头部和尾部限制情形优化完善, 缩减相互作用的内力。

在管道开启使用初始步骤, 降温减压器放射口性能差坏, 降温水同流体间的热量转换不能有效进行, 这在管道1-2中体现出来, 我们看出由于管道内上热下冷, 热膨胀发生作用不匀称, 这便是引起管道卷曲的首要因素。现将放射口进行改进处理, 消除喷口造成的热量转换影响, 全新进购一批降温降压器装置, 管道规格为Φ325×25mm, 管道内壁厚度与直径不做改变。因此, 针对异形I所做的改进处理为, 减少横向管道1-2长度, 另外改变头部和尾部两个端口固定限制约束, 只将一端固定限制, 另一端与柔度相对较好的承接管道相连接, 具体如图3所示。

而针对异形II, 考虑到楼面框架承重的支柱结构仅仅只产生管道的垂直向上的支撑力, 只能将限制垂直向下的管道内部结构承载力的伸缩, 所以在此处, 将垂直方向的管道2-3转变方向铺置于横向管道1-2上方位置, 管道2-3有条件往上发生热膨胀, 往下发生热膨胀时在楼面框架承重的支柱结构限制, 因此横向管道1-2不发生异形。另外, 在管道3-5-6处能一定程度上接纳减缓垂直方向异形, 以此进一步降低垂直管道热膨胀造成的管道异形作用。

三、数值模拟

在实验模拟的基础上做出的改进措施, 通过有限元分析软件ANSYS进行验核, 检查是否产生正面作用, 同时能有效帮助管道异形改进方案的完善。在项目进程中, 普遍情况下是在管道体系开启施工时期发生管道异形, 因此为了进一步将数据值达到最接近状态, 在此处使用瞬态法进行分析讨论, 将数值尽可能的还原实际, 展开动态跟踪模拟, 对瞬态热膨胀, 热内部作用力以及热异形展开研究。

在数值模拟进行数据输入时, 这里假设管道材质是富有弹性柔度的, 同时存在普遍性和一致性, 管道体系细微处横截面存在外径不等的现象暂不计入考虑。另外热力管道内部结构承载力伸缩变动不大, 因此也不计入考虑, 在此处我们单独针对变温应力对管道的影响展开分析研究。

针对管道体系展开的变温应力以及热膨胀引起的形状尺寸变化进行分析。在数值模拟时采用壳单元进行结构模拟, 对改进前的管道单元数为3144, 改进后的单元数位8288。上文已对热进行分析, 得知管道体系的作业环境温度在开启时时刻发生变动, 将改进前研究时区设为0-900秒, 步长为1秒, 将改进后研究时区设为0-1200秒, 步长为1秒。在管道体系左部端口仍设置一个固定限制, 而在右部端口添加X和Z方向的限制, 以及在Y方向上添加结构内部作用力位置移动变化11.1mm, 同时将热分析得出的温度进行数据代入计算。

热应力分析有限元模型如图4、5所示。

上文提到管道异形由两方面组成, 异形I和异形II。而此处做出的改进后的管道体系便是解决异形II的方案措施, 另外对于异形I, 仍然按照上述三个解决措施进行处理:缩减横向管道1-2的长度, 优化完善两个端口设置, 缩减相互作用的内力。现将改进前后的管道体系数据进行列举比对, 证明改进方案的实用性质。

图6具体显示出在改进前和改进后的横向管道1-2在X方向上变温应力的转变情况:改进前, 横向管道1-2出现热膨胀但受限于垂直管道2-3, 限制力最大值高达1315.15k N;但改进后的横向管道受限于X方向的限制力最大值为42.2k N, 仅仅是改进前的3.5%, 表示垂直管道对横向管道的限制大幅度减少。在改进前的横向管道1-2, 两端口的限制因素几乎处于固定限制状态, 因此管道体系内部还原能力十分薄弱。

由图7、8得出的是, 将限制因素不断优化完善, 稳定后的横向管道X方向热膨胀以及改进后的横向管道异形的最大值都明显高于改造前的管道体系。改进前横向管道1-2长度达到16.4米, 而变温应变为2.12×10-3, 产生热膨胀却无法得到排释, 改进后的横向管道1-2长度减小仅为12.41米, 变温应变反而是改进前的1.65倍, 说明管道体系的柔度得以提高。

利用上述方案进行改进, 管道体系的异形问题得到有效解决。由图7、8易知, 改进后的横向管道1-2在垂直方向处产生细微异形, 而与下端管道体系连接的垂直管道机会没有异形。改进后使得具有外部因素限制的管道部分最大限度不产生异形, 变温应力较小, 而不具有限制的管道部分最大程度接纳管道体系的人膨胀, 即使发生适度异形, 也不影响管道正常运行作业。

结论

通过弹性杆件热屈曲理论以及流体在关内流动局部表面传热系数等理论的帮助下, 对整个管道体系进行优化改进:将垂直方向管道转换为上方方向, 缩减承重结构之间的间距, 优化限制因素。同时利用美国机械工程师协会的柔度系数公式, 检测管道体系内部还原能力, 采用有限元分析软件ANSYS对管道体系展开数值模拟。最后得出的结果显示, 改进后的横向管道在Y方向上的异形最大值从99mm减少为11.8mm, 跨幅高达87.57%, 同时横向的热膨胀得到合理排释, 上端和下端的垂直管道在X方向上几乎不产生异形。另外, 该企业结合本文提出的改进措施对管道体系进行优化处理后, 已经正常高效作业超过一年, 实践证明理论, 因此可以得出此次改进方案具有有效性及实操性的结论。

摘要：通过弹性杆件热屈曲理论, 结合流体在关内流动局部表面传热系数以及其他相关理论展开对项目工程中管道异性情况严重的研究讨论, 在此基础上分析出具全新完善的改进措施。同时分别针对改进前和改进后的管道本身的还原能力展开效果对比, 基本对比工具为ASME的柔度系数公式, 另外辅助使用ANSYS有限元分析软件重建既定状态下管道数据模型。