服務(wù)熱線：雙螺栓管夾在電力、石化管系靜應(yīng)力的分析方法
2018年10月08日
滄州五森管道有限公司
工程上實(shí)際出現(xiàn)的雙螺栓管夾在管系情況是 復(fù)雜的。從承受的載荷來(lái)講，管系承受的載荷種類是比較多的;從空間布置上來(lái)講，管系既可能具有簡(jiǎn)單的平面走向，又可能具有復(fù)雜的空間走向;從邊界條件上來(lái)講，它既可能與剛度較大的設(shè)備相連，又可能與對(duì)外載荷比較敏感的機(jī)械相連;從約束條件上來(lái)講，它既可能受到剛性約束，又可能受到彈性約束，同時(shí)還會(huì)因設(shè)備的熱脹和不均勻下沉等給管系一個(gè)附加位移;從工作工況上來(lái)講，它既可能在常溫的試驗(yàn)工況下工作，又可能在高溫或低溫的操作工況下工作。因此，雙螺栓管夾對(duì)管系的應(yīng)力計(jì)算并不是一件容易的事。對(duì)某些簡(jiǎn)單管系，可以利用材料力學(xué)理論，通過(guò)建立其靜力平衡方程、物理方程、幾何方程來(lái)求解它的力和應(yīng)力。但對(duì)于復(fù)雜的靜不定管系，雙螺栓管夾僅僅利用材料力學(xué)的理論是無(wú)法求解的，此時(shí) 需要借助于結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論來(lái)求解，然后利用彈性力學(xué)或塑性力學(xué)的準(zhǔn)則建立其強(qiáng)度判定條件。事實(shí)上，對(duì)于復(fù)雜的空間管系，目前眾多的應(yīng)力計(jì)算都是以結(jié)構(gòu)力學(xué)理論為基礎(chǔ)建立起來(lái)的。
雙螺栓管夾無(wú)論是采用材料力學(xué)理論還是結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，對(duì)于復(fù)雜的空間管系，都將面臨建立許多方程(包括靜力平衡方程、物理方程、幾何方程等)并對(duì)方程求解的問(wèn)題。當(dāng)這樣的方程數(shù)量太多時(shí)，用手工進(jìn)行計(jì)算有時(shí)是不現(xiàn)實(shí)的，它可能需要花費(fèi)數(shù)日、數(shù)月甚至幾年的時(shí)間才能得出結(jié)果。為此，管系靜力的求解方法則根據(jù)管系的復(fù)雜程度而派生出許多類型。這些方法大致可以分為以下三類：近似計(jì)算法、圖表法和矩陣解析法。
1、近似計(jì)算法
雙螺栓管夾主要是針對(duì)形狀和邊界條件比較簡(jiǎn)單的管系，在進(jìn)行了一些假設(shè)之后，給出來(lái)一個(gè)近似的簡(jiǎn)單判斷式。這類計(jì)算方法的代表是ANSI簡(jiǎn)單判斷式。除ANSI簡(jiǎn)單判斷式之外，還有導(dǎo)向懸臂法、彈性中心法等一些近似計(jì)算法在設(shè)計(jì)中也時(shí)常用到。ANSI簡(jiǎn)單判斷式目前已被列入許多相關(guān)規(guī)范(如ANSI B31.3和SHJ41標(biāo)準(zhǔn))中。
2、圖表法
這類方法是通過(guò)其它方法對(duì)一些形狀比較簡(jiǎn)單且比較固定的管系(如π形補(bǔ)償器)進(jìn)行系列性的數(shù)據(jù)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果列成圖表，雙螺栓管夾設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)查找相應(yīng)的圖表 可判斷管系的應(yīng)力是否符合要求，或者根據(jù)圖表數(shù)據(jù)來(lái)確定管道的補(bǔ)償臂長(zhǎng)。這類方法的代表有凱洛格法、Tube法和Turn法等。
3、矩陣解析法
這種方法是計(jì)算機(jī)管系應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)。它是利用結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論來(lái)建立管道的力學(xué)方程，通過(guò)矩陣傳遞原理形成關(guān)聯(lián)方程組，并將方程組的求解轉(zhuǎn)化為矩陣的求解，然后利用彈性力學(xué)和塑性力學(xué)的準(zhǔn)則建立強(qiáng)度判斷條件。雙螺栓管夾以矩陣解析法為基礎(chǔ)的應(yīng)力分析程序已有很多， 我國(guó)常用的雙螺栓管夾在管道應(yīng)力分析程序而言， 有SAP-5分析程序、等值剛度法分析程序、CAESARⅡ分析程序等。
SAP-5程序是我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的 早應(yīng)用的應(yīng)力分析程序。它是一個(gè)大型的結(jié)構(gòu)線彈性計(jì)算通用程序，可用于各種結(jié)構(gòu)(包括結(jié)構(gòu) 、加熱爐 的鋼結(jié)構(gòu)等)的應(yīng)力計(jì)算。其中的管道應(yīng)力計(jì)算部分既可進(jìn)行靜力計(jì)算，又可進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。但由于它不是管道應(yīng)力分析的專用程序，雙螺栓管夾輸出的結(jié)果只有內(nèi)力而沒(méi)有應(yīng)力，輸入的方法也比較繁瑣，使用很不方便，故國(guó)內(nèi)不少使用單位都增加了前端處理和后端處理。目前該計(jì)算程序已基本不再使用。
等值剛度法應(yīng)力分析程序也是較早應(yīng)用的管系應(yīng)力計(jì)算程序。它是由電力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的程序，可用于計(jì)算管道內(nèi)壓、自重、熱膨脹、端點(diǎn)位移等荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力和各點(diǎn)的位移。但該程序的功能不太全，應(yīng)用不如CAESARⅡ靈活，雙螺栓管夾計(jì)算精度也比較差，故目前也基本不再使用。
CAESARⅡ應(yīng)力分析程序是目前應(yīng)用 普遍的管道應(yīng)力分析程序，它是由美國(guó)COADE公司開(kāi)發(fā)編制的。該程序的功能比較全，可在微機(jī)上操作，因此雙螺栓管夾在石油化工管道設(shè)計(jì)中得到了 應(yīng)用。該程序除可以進(jìn)行管道的靜力分析和動(dòng)力分析外，還可進(jìn)行非埋地管道的抗震分析、管系中管道元件或接頭的局部應(yīng)力分析、法蘭泄漏分析等。它也允許計(jì)入管系中管道元件的摩擦力，但由于摩擦力是非線性的，故有時(shí)會(huì)使計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，甚至算不出結(jié)果。
除了上面介紹的幾類常用管道應(yīng)力計(jì)算方法外，目前還有一些其它方法在工程中也時(shí)有用到，如有限元計(jì)算法，而且新的其它應(yīng)力計(jì)算方法也在不斷出現(xiàn)。這些方法呈現(xiàn)出朝著兩個(gè)相反方向發(fā)展的 點(diǎn)，其一是針對(duì)簡(jiǎn)單管系的計(jì)算方法，新的方法朝著如何快速、便捷地判斷管系的強(qiáng)度是否 的方向發(fā)展，雙螺栓管夾以節(jié)省管系強(qiáng)度判斷的人力和物力;其二是針對(duì)雙螺栓管夾在復(fù)雜管系的計(jì)算方法，新的方法則朝著功能 強(qiáng)大、計(jì)算機(jī)操作 快捷方便的方向發(fā)展，而且程序中存入大量的常用數(shù)據(jù)可隨時(shí)調(diào)用，以減少輸入的工作量。
在工程設(shè)計(jì)中，究竟采用何種應(yīng)力分析方法應(yīng)視管系的空間形狀、管道的操作條件(高溫、高壓、大口徑等)、與管系相連的設(shè)備(是否屬敏感設(shè)備)等進(jìn)行選擇。對(duì)操作條件緩和、相連設(shè)備對(duì)管系的附加力不敏感、管系空間形狀簡(jiǎn)單且符合簡(jiǎn)單判斷式或圖表法分析條件的管系，不一定非要采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和分析，以降低設(shè)計(jì)成本。
一般情況下，下列雙螺栓管夾在管道所形成的管系應(yīng)采用計(jì)算機(jī)分析程序進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析：
a、進(jìn)出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道;
b、進(jìn)出汽輪機(jī)的蒸汽管道;
c、進(jìn)出離心壓縮機(jī)、透平、鼓風(fēng)機(jī)的工藝管道;
d、進(jìn)出離心分離機(jī)的工藝管道;
e、進(jìn)出高溫反應(yīng)器的工藝管道、雙螺栓管夾;
f、溫度超過(guò)400℃的管道;
g、利用圖表或其他簡(jiǎn)化法初步分析后，表明需要進(jìn)一步詳細(xì)分析的管道;
h、與有受力要求的其他設(shè)備相連的管道。
對(duì)此，某些資料上給出了 具可操作性的規(guī)定，在此一并介紹給讀者，供參考。下面是某些雙螺栓管夾資料給出的應(yīng)采用計(jì)算機(jī)分析程序進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道條件：
a、操作溫度大于等于400℃的所有規(guī)格的管道;
b、DN80，操作溫度大于等于300℃或低于等于-20℃的管道;
c、DN150，操作溫度大于等于200℃的管道;
d、DN650的大口徑管道;
e、DN300的真空管道;
f、與敏感設(shè)備(如泵、壓縮機(jī)、蒸汽透平等)相連的工藝管道和蒸汽管道;
g、用簡(jiǎn)單計(jì)算法判斷補(bǔ)償不夠或者用圖表法無(wú)法查到管道;
h、有雙螺栓管夾的管道;
i、有波紋膨脹節(jié)的管道、雙螺栓管夾;
j、有冷緊的管道。
除此之外，對(duì)下列雙螺栓管夾在管道應(yīng)根據(jù)具體情況確定是否需要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析：
a、貴重金屬管道(如合金鋼、不銹鋼、 殊耐熱鋼、超低溫用鋼管道等);
b、開(kāi)仃工頻繁的管道;
c、直管部分較長(zhǎng)、熱脹冷縮量較大的管道;
d、相連機(jī)械或設(shè)備的管口有較大位移的管道;
e、剛度較大的厚壁管道;
f、劇毒介質(zhì)管道。
雙螺栓管夾對(duì)于與運(yùn)行良好的管道形狀、條件等相同或基本相同的管道，或者與經(jīng)過(guò)詳細(xì)應(yīng)力分析并且合格的管道形狀、條件相同或基本相當(dāng)?shù)墓艿溃梢圆辉龠M(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。
有關(guān)雙螺栓管夾在管系靜應(yīng)力的分析方法在一些專著和手冊(cè)中已經(jīng)有了不少的介紹，本書僅介紹兩種工程上常用的方法，即ANSI簡(jiǎn)單判斷法和CAESARⅡ計(jì)算機(jī)詳細(xì)分析法兩種。
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