一种确定管道应力计算模型边界的新方法

杨志坚 施少波

摘  要：文章提出了一种管道应力计算模型边界确定的新方法即三向线位移约束两次即可作为计算边界。对采用这种新方法计算的管道示例的应力比值变化进行了对比，结果显示其计算误差满足工程计算的要求。此方法为管道应力计算模型边界的确定及计算规模的简化提供了一种新思路。

关键词：管道应力;计算边界;约束

中图分类号：TQ050.2         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）15-0014-02

Abstract： This paper introduces a new method for determining the boundary of piping stress calculation model， that is， linear displacements in three directions are constrained twice can be used as the calculation boundary. The stress ratio of the piping before and after calculation with this new method is compared and the results show that the calculation meets the engineering requirements. This method provides a new method for determining the boundary of piping stress calculation model and simplifying the calculation scale.

Keywords： piping stress; computational boundary; constraints

引言

管道應力计算边界的确定关系到计算精度、计算耗时等，是管道应力计算的基本问题。

常规的管道应力计算边界分两类：（1）管道在此处之后不再向后延伸，例如自由端和接设备点;（2）管道遇到刚度足够大的固定支架（支架刚度一般要大于管道刚度的10倍以上），由于管道在该处的三向线位移及角位移均被约束，故可做为应力计算边界。

实际工程项目中，往往只需计算某一个系统或者某一段管道的应力，如果按既有规则进行管道应力边界的划分，往往由于所需计算的管道与设备之间距离过长，管系附近无固定支架及自由端，管道计算边界需要扩展到与之相连的不需要详细应力计算的管系来满足既有规则，导致计算模型过于庞大，造成不必要的人力物力消耗。

1 管道应力计算模型边界确定的新方法

本文提出了一种管道应力计算边界的新方法-三向线位移约束两次即可作为计算边界。具体如图1所示：虚线以外属于我们需要计算考虑的管道范围，而虚线之内4个GL支架（轴向导向支架），X方向约束2次，Y方向约束2次，Z向约束4次，满足3向约束两次这个条件，构成一个总体的计算边界（管道延伸区实线表示的管道不评定）。

2 实例验证

某高压氮气减压装置，其材料采用022Cr19Ni10，介质为氮气，设计温度为100℃，设计压力为16MPa。需对高压氮气减压装置相关管线在承受自重、内压、温度等载荷作用下的一、二次应力进行评定，满足ASME B31.3-2014[1]规范的相关要求。

2.1 管道总体模型

由CADWORX三维建模软件建立的总体模型如图2所示，而我们关心的必须用管道应力软件进行详细计算的部分如图2圆圈中所示，详见图3。

2.2 管道简化模型

根据本文提出的管道应力计算模型边界确定的新方法：三向线位移约束两次。原模型左右边界分别有4个GL支架（轴向导向支架），满足X、Y、Z三个方向分别约束两次的要求，简化后的管道应力模型如图4所示。

2.3 应力结果比较

对采用新方法前后的管道模型（图2和图4）运用CAESAR II[2]软件进行计算，并从中选取需详细评定的图3模型中相同的节点进行应力结果比对，比对结果详见表1，结果显示两种模型的相同节点不仅计算误差极小，而且简化模型的一、二次应力均略大于总体模型，结果相对保守，由此可见运用新方法简化后的模型可应用于实际工程。

3 结论

本文提出了一种管道应力计算模型边界确定的新方法即三向线位移约束两次，并用管道实例对采用这种新方法计算前后的应力结果进行了对比，结果表明可满足工程要求。此方法为管道应力计算模型边界的确定及计算规模的简化提供了一种新思路。

参考文献：

[1]ASME B31.3-2014， Process Piping， The American Society of Mechanical Engineers[S].

[2]CAESAR II User Manual，2017.