设备支撑的两种模拟方式对管口载荷的影响

聂磊

上海华谊工程有限公司（上海　200235）

化工设备

设备支撑的两种模拟方式对管口载荷的影响

聂磊

上海华谊工程有限公司（上海200235）

管道应力分析的目的是保证设备与管道的安全运行，并且在此前提下尽量保证管道的美观性和经济性，避免不必要的柔性弯。通过CAESAR II对再沸器管线进行应力分析，对再沸器支架的模拟采用了刚性支撑单元和钢结构两种方式，并介绍了钢结构单元参数的计算方法，得出了将设备支架模拟为钢结构可以改善管口受力，并能节约材料的结论。

钢结构 CAESARⅡ 设备支撑 管口载荷

1　CAESARⅡ简介

CAESARⅡ管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的专业管道应力分析软件，它既可以进行静态分析，也可以进行动态分析[1]。CAESARⅡ向用户提供完备的国际上通用的管道设计规范，软件使用方便快捷。该软件可以通过输入屏幕或表格完成数据输入，将形成的管系模型显示在屏幕上进行评判，清楚直观，因此该软件是当今世界上用户最多的应力分析软件，在国内管道应力分析领域也得到了广泛的应用。CAESARⅡ允许分析管道和钢结构一体的复合模型，用户可得到管道-钢结构非线性作用计算和图形结果。

2　钢结构模拟的必要性

钢框架结构由于抗震性能良好、自重轻、施工周期短、建造速度快等，在现代化工生产装置中应用普遍。设备和管道的支架通过钢结构的钢梁来支撑，通常在运用CAESARⅡ进行模拟计算时，支撑简单的模拟为刚性支撑，而CAESARⅡ刚性支撑默认的平移约束刚度为1.75e+12 N/cm，这种模拟方式近似地认为支架不可变形，不符合实际情况，因为钢结构梁在竖直方向上受到集中载荷时会产生一定挠度，当集中载荷较大时，挠度不可以被忽略。下面通过实例分析，比较模拟钢结构与单纯刚性支撑的不同应力计算结果，以说明模拟钢结构的必要性。

3　实例

再沸器是化工装置中十分常见且非常重要的工艺装备，其支撑方式通常有两种，一种是将支架生根到塔的外壁支撑，另一种是再沸器的支耳通过钢结构单独支撑。第一种支撑方式中塔的热膨胀会带动再沸器一起膨胀，二者的热膨胀位移差较小，管口受力情况良好。第二种支撑方式中塔与再沸器分别单独支撑，二者产生的热膨胀量在管口位置相差较大，易造成管口载荷过大，本文重点讨论分析第二种支撑方式。

再沸器的自重较大，会对支撑设备的钢梁产生竖直方向的集中应力，使钢梁在竖直方向产生形变，此形变可减少塔与再沸器之间的膨胀差，增加整个管系的柔性，从而改善管口载荷。

3.1钢结构模型

在CAESARⅡ软件中，钢结构支撑模拟需要建立管道-钢结构复合模型，钢结构模型需要在钢结构计算模块中单独建立，在二者复合时设备的支架约束同钢结构模型通过Cnode功能连接到一起。CAESARⅡ软件的钢结构模块提供了AISC 1977，AISC1989，German1991，Australian1990，South African 1992，Korean 1990，UK 1993等几种钢结构数据库，但缺少国内的钢结构数据，所以需要对钢结构的参数进行计算。对于工字钢来说，需要设置的参数主要有截面积、强轴惯性矩、弱轴惯性矩、工字钢的宽度和高度、扭转惯性矩。前4个参数可以从GB/T 11263—2010《热轧H型钢和部分T型钢》中查到，扭转惯性矩需要由式（1）[2]来计算：

式中，It为扭转惯性矩，mm4；η为修正因数，对于工字钢，η＝1.2；h为工字钢的宽度，mm；δ为工字钢翼缘厚度，mm。

图1和图2分别为纯管道模型和钢结构-管道复合模型。

图1　纯管道模型

图2　钢结构-管道复合模型

3.2设备与管道参数

设备与管道参数见表1。

3.3组合工况的建立

本文主要分析在操作与设计工况下管口载荷的变化，具体见表2。L4和L5代表一次应力，二者安装态附加的压力不同，L6和L7分别是由温度T1和T2引起的热胀力，而L8是考虑T2与T1之间的温度差导致的热胀力。

表1　设备与管道参数

表2　工况组合

3.4分析思路

对蒸汽管道与外管相连接的部分，考虑了x方向的附加位移，同时假定y方向和z方向附加位移为零。蒸汽温度较高时，在z方向会产生很大的膨胀量，由于管道的柔性较差，会造成图1中管口3的受力超标；管口2与管口1除了z方向膨胀量的问题之外，还存在塔和再沸器竖直方向膨胀量不同的问题。通常，在空间位置允许的情况下可考虑增加管道的柔性，以保证设备管口的受力处在允许值以下，保证装置的安全运行。方案如图3所示。

图3　管道模型增加柔性

从图3中的方块标注可以看出，若要增加管道的柔性，对于蒸汽管道与外管连接的位置，需先将蒸汽管道沿着外管方向平拐一段距离，再和外管相连接，用来吸收z方向的部分管道膨胀量；二氯乙烷管道需要增加直管段的长度。这两种方案都会导致材料用量的增加，且蒸汽管道的配管方式并不美观，所以考虑是否可以在不改变配管的前提下增加设备的柔性，而设备唯一可以变更模拟的方式就是支架的模拟。塔器的裙座直接固定在地面上，所以塔的支撑方式考虑采用固定支架，再沸器通过支耳固定在钢结构上，考虑将钢结构模拟进模型中，检测是或否会减少管口受力。

3.5计算结果对比

3.5.1最大应力分布

图4为一次应力与二次应力的最大值与许用应力的比，即工况L4，L5，L6，L7在纯管道模型和管道-钢结构复合模型中的最大应力对比。

图4　应力对比

从图4可以看出，在L4和L5工况下，纯管道模型出现的最大应力点所占许用应力的比例要小于钢结构复合模型的应力占比，原因是一次应力主要是由管道和设备自重产生的，其变化主要取决于支架形式和数量的变化，钢结构-管道复合模型中的工字钢支撑刚度较小，会产生挠度变形，使一次应力变大，结果符合理论分析。在二次应力（即L6和L7）工况下，钢结构复合模型的应力情况好于纯管道模型，这是因为二次应力主要是由热膨胀引起的，管系的柔性越好，应力情况就越好。

3.5.2再沸器支架挠度验证

钢结构-管道复合模型的柔性较好，主要是通过再沸器支耳位置工字钢挠度的变化来实现的。模型中钢结构模型产生的挠度是否真实合理对结果的真实性影响很大，需要通过简单的理论计算来验证软件计算的准确性。以图1中再沸器支耳1为例进行验算，支耳放在梁的中心，可以近似考虑为简支梁中心受到一个集中载荷，采用式（2）[2]进行计算。

式中，w为挠度，mm；F为集中应力载荷，N；E为弹性模量，GPa；l为工字钢长度，mm；I为惯性矩。

从CAESARⅡ软件中读取到的支耳1的受力为-69065 N，带入公式，则理论计算的挠度为-2.588 mm，软件的计算值为-2.522 mm，理论值和软件值相差2.5%左右。考虑在实际钢结构中，支撑再沸器的工字钢梁的约束条件和简支梁有所区别，而在工程中，10%以内的误差是可以接受的，故可认为软体计算准确。

3.5.3设备管口载荷

以图1中再沸器和塔器的三个管口作为计算对象，在L2和L3工况下，纯管道模型和钢结构-管道复合模型中的受力情况分别见表3和表4。

表3　L2工况管口载荷

由表3和表4的管口载荷数据可以发现，钢结构-管道复合模型中三个管口的受力比纯管道模型大幅降低，且结果准确可靠。

4　结论

分析了设备支撑的两种模拟方式对管口载荷的影响，通过CAESARⅡ软件对再沸器支撑钢结构的真实模拟，对比了在纯管道模型和钢结构-管道复合模型中3个管口的载荷变化，可以看出在引入钢结构的模拟后，设备管口的载荷得到了大幅改善，结果更趋于真实情况，缺点是钢结构的模拟过程比较繁杂，会增加工作量，不利于工作效率的提升，所以给出以下建议：

表4　L3工况管口载荷

（1）对于普通管系，设备支撑的刚性模拟结果倾向于保守，但只要能满足设备管口的载荷要求，即可采用普通的刚性模拟。

（2）当设备管口受力过大时，可通过引入钢结构的模拟，得到更真实、更有利于管口载荷的结果，既可以保证管系的美观也可以节约材料、节省投资。

[1]唐永进.压力管道应力分析[M].2版.北京：中国石化出版社,2010：157.

[2]刘鸿文.材料力学[M].4版.北京：高等教育出版社, 2004：190.

Influences of Two Simulation Methods of Equipment Support on Nozzle Load

Nie Lei

The purpose of piping stress analysis is to ensure the safety of equipment and pipelines.On this premise, the pipeline aesthetics and economy should be ensured and unnecessary flexible bends should be avoided.The reboiler pipeline is analyzed by CAESARⅡ,the support is simulated with two models,rigid support unit and steel structure unit. The calculation method of the steel structure unit parameters is introduced.The conclusion that using the steel structure support can reduce the nozzle load and save material has been drawn.

Steel structure;CAESARⅡ;Equipment support;Nozzle load

TP 391.9

聂磊 男 1983年生 硕士工程师主要从事化工工程管道应力分析工作

2015年7月