应用CAESAR II与GLIF在低温管道应力分析中的研究

王万惠

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)



应用CAESAR II与GLIF在低温管道应力分析中的研究

王万惠

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

摘要：经过对实际电厂管道的应力分析，应用CAESAR II 软件和GLIF软件从设计角度分析管道与设备接口推力和推力矩结果的差异。并以目前在建电厂作为例子对低温管道进行了计算，并对计算结果进行分析和比较。最后得出这两个软件各自适合的场所。

关键词：CAESAR II；地震；阻尼器 管道；应力

0引言

在电站汽水管道的设计和安装中，应力分析是一项重要的工作，应力分析验算的目的是保证管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩以位移受约束时所产生的二次应力在许用应力范围之内。文中应用汽水管道计算软件(GLIF)和CAESAR II有限元软件，在低压给水管道应力计算中考虑到偶然荷载(地震)的情况下对管道应力结果进行比较，根据各自优劣性进行分析得出这两个软件适用范围。

1CAESAR II与GLIF的地震计算原则

根据《发电厂汽水管道应力计算技术规程》(DL/T5366-2014)P24页及《电厂动力管道设计规范》(GB50764-2012)P104规定 “除合同约定外，当地震设防烈度为8度及以上的管道应力计算应计入管道地震荷载，管道地震荷载可以采用静力法进行近似计算”。地震时地面的水平及垂直运动是同时存在的，但一般认为水平地震对结构的破坏起决定性作用。因此，静力法计算只校验水平地震力的影响(除非合同另有要求)水平地震力F由下式进行计算(摘自应规P90页)：

式中:G为管道(包括介质和保温材料)的质量(N)；g为重力加速度(m/s2)；τ为地震时地面最大水平加速度(m/s2)；k为地面加速度的地震系数。

一般，地面加速度峰值越大，地震烈度越大，即地震系数k与地震设防烈度有一定的对应关系。当电厂厂址为国内厂址时，按表1选取(摘自GB50011-2010 建筑抗震设计规范表3.2.2)。当厂址为国外厂址时，k值应按国外相应标准或者设计合同中的参数进行选取。

表1　地震系数k与地震设防烈度关系表

为了保证管道在地震发生时不受破坏，需要对管道的约束进行调整，例如，增加限位，更改刚性吊点甚至更改管道布置等。但有时通过这些手段还是不能满足要求或者管道的布置根本就不允许调整时，就需要设置一定量的阻尼器，他们可以在地震工况下动作，保护管道。

1.1GLIF阻尼器的选取计算

GLIF计算地震荷载时,指定节点在指定工况时起作用，该节点设置成为刚性限位，在计算书的表头用40,0,6,0,0,0,0(表示管系中的支吊架只在6工况起作用)；

10，ISN，IEN，ITY (ISN表示分支始节点号，IEN表示分支末节点号，ITY分支节点类型)。

节点为6工况(地震工况)起作用且只限制X方向的刚性吊点，节点类型ITY=310;

节点为6工况(地震工况)起作用且只限制Y方向的刚性吊点，节点类型ITY=320;

节点为6工况(地震工况)起作用且只限制Z方向的刚性吊点，节点类型ITY=330。

1.2CAESAR II阻尼器的选取计算

在进行静态地震荷载计算前，应对管系进行第一版应力计算，此版应力计算除考虑地震荷载外，所有的其它工况均已考虑(包括汽锤、安全阀排汽反力、风载)。静态阻尼器是防止偶然荷载在静态分析中发生位移的约束。原则上，它只对本质上是动态的偶然载荷起作用，例如地震载荷；而对所有的膨胀、持续和静态工况不起作用。为了正确模拟阻尼器的这种特性，需要引入关联节点来限制阻尼器的作用范围，此时只需要输入第一版应力计算中该节点在OPE工况下的线位移和角位移到displacements中。

2CAESAR II与GLIF在工程中计算

接口应力规定：

管道在工作状态下对设备或断点的推力或力矩应按照下式计算：

式中：Rt为管道运行初期在工作状态下对设备或端点的推力或力矩(N或N·mm);R20为管道运行初期在冷状态下对设备或端点的推力或力矩(N或N·mm);RE为按照全补偿值和钢材在20 ℃时的弹性模量计算端点对管道热胀作用力或力矩(N或N·mm);Et为钢材在设计温度下的弹性模量(GPa);E20为钢材在20 ℃时的弹性模量(GPa)。

文中采用SOMA KOLIN 2×255MW COAL FIRED POWER PLANT工程，在低压给水管道的应力计算中，在地震工况下采用阻尼器后对泵接口力和力矩的计算结果分别如下：

低压给水设计参数：设计温度193.4 ℃，设计压力1.39 MPa(g)。

表2GLIF计算出的接口力和力矩

表3CAESAR II计算出的接口力和力矩

2.1两个软件计算结果比较

表1计算结果比表2计算结果普遍偏小。

热态：(CAESAR II-GLIF)/ CAESAR II=0.46

地震x+：(CAESAR II-GLIF)/ CAESAR II=0.62

3CAESAR II与GLIF结果分析

CAESARII和GLIF计算出的接口推力和推力矩结果，原因分析如下：

(1)软件自身的问题。CAESARII在进行应力计算时，管道材选用的是20 ℃时弹性模量，而GLIF计算时采用的是管道设计温度时的弹性模量。而对于钢材而言，弹性模量随着温度的升高而降低，温度越低管道的弹性模量越大，弹性模量越大管道的刚度越大,也就是管道越硬,此时管道对接口的推力和推力矩就越大。这样CAESARII应力计算的接口力和力矩就会比GLIF应力计算结果会稍微偏高。但是弹性模量又是材料的固有属性，改值随着温度的变化很小,所以这两个软件计算出的结果稍有差异。

(2)管道布置的问题。对于大口径，直且短而粗的管道而言，管道应力计算的推力和推力矩本来就对接口的影响就比较大。

综上所述，建议对大口径、短而直且设计温度在300°以下的管道建议用glif进行管道应力分析，而对于高温管道温度高于300°以上且存在汽锤等管道例如主汽、再热管道还是用CAESARII。这样无论是从计算软件还是从布置的角度来讲，计算结果都比较接近实际。

4结束语

管道应力分析是管道布置中的一项重要的工作，所以准确的计算管道在各关键点的应力对管道的安全运行起到至关重要的作用,也是电厂管道完整性的重要保障。文中从目前在建电厂的设计角度出发，通过对设计院常用的两个软件的计算结果进行比较和分析，提出了两个软件各自的优越性，对同行提出设计参考。

参考文献

[1]GB 50764-2012 电厂动力管道设计规范[M].中国计划出版社出版.

[2]ASME B31.1a-2008 Addenda to ASME B31.1-2007 Power Piping.

[3]DL/T 5366-2014 火力发电厂汽水管道应力计算技术规程[M].中国电力出版社.

[4]DL/T 834-2003 火力发电厂汽轮机防进水和冷蒸汽导则[M].中国电力出版.

Application of Using CAESAR II and GLIF to Analyze Low Temperature Pipe Stress

WANG Wan-hui

(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute Beijing 100094,China)

Abstract:Through piping stress analyze against actual power plant,from designing aspect considerations, we derive to pipe and equipment interface force and moment'difference using CAESAR II finite element software and glif software .Instance as the now building plant's low temperature piping,analyzing andcomparingcalculation result,at the last we get individual adaptive region on CAESAR II and glif software.

Key words:CAESAR II; Earthquake;Damper; Pipe; Stress

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.06.004

收稿日期：2016-05-10

修订日期：2016-05-25

作者简介：王万惠，国核电力规划设计研究院。

中图分类号：TB658

文献标志码：A

文章编号：1009-3230(2016)06-0012-03