建筑物通風系統(tǒng)超高壓風管結(jié)構(gòu)設計

胡 北， 陸 松

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

通風系統(tǒng)是建筑物重要的輔助系統(tǒng)，為設備運行和人員工作提供適宜的環(huán)境條件，并對氣態(tài)污染物進行控制和凈化。風管是通風系統(tǒng)中數(shù)量最多的部件，維持著室內(nèi)外的氣壓平衡。當建筑物外發(fā)生龍卷風和爆炸時，為避免風管將室外沖擊波傳導至重要房間，沖擊波閥前后風管應能抵御高壓差，以維持壓力邊界的完整性和氣密性。本文針對超高壓風管的結(jié)構(gòu)設計，進行了ANSYS有限元分析，以找出超高壓對風管結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并給出相應的設計方法。

1 標準風管結(jié)構(gòu)設計

通風系統(tǒng)標準風管結(jié)構(gòu)主要根據(jù)設計壓力確定。這是因為，風管結(jié)構(gòu)的薄弱部件在于面板，而面板作為薄膜，受氣壓載荷的影響遠大于慣性載荷。本節(jié)將介紹根據(jù)氣壓等級設計風管結(jié)構(gòu)的一般方法。

1.1 氣壓等級

不同功能建筑物所應用的氣壓分級標準不同。本文涉及風管的氣壓分級參考某工業(yè)建筑：1)中低壓風管：＜750Pa；2)高壓風管：750～2000Pa；3)超高壓風管：＞2 000 Pa。

1.2 標準風管結(jié)構(gòu)

碳鋼是高壓金屬風管最常用的材料，參考某工業(yè)標準，風管在不同氣壓等級下的結(jié)構(gòu)設計見表1。

1.3 荷載組合

參考ASMEAG-1標準[1]，風管各工況下的荷載組合見表2。

表1 標準碳鋼風管構(gòu)造設計

表2 荷載組合

1.4 判定標準

1.4.1 風管應力

參考ASMEAG-1標準[1]，特殊工況下風管應力適用于表3中的判定準則。

1.4.2 風管變形

參考ASMEAG-1標準[1]，風管變形應限制在表4規(guī)定的范圍內(nèi)，以防止風管屈曲、氣密性破壞、流道面積改變、安裝儀表損壞等。

表3 風管許用應力

其中，F(xiàn)y為材料的彈性極限；薄膜應力為風管面板沿厚度方向的平均應力；薄膜加彎曲應力為風管面板上的最大等效應力。

表4 風管許用變形

其中，dmax按如下方法確定：薄板沿氣流方向，在最大無支承的面板跨距內(nèi)，每米不超過10.4mm，最大不超過19mm。

2 超高壓風管數(shù)值模擬計算

龍卷風和爆炸沖擊波是造成超高壓的主要外部事件，通風系統(tǒng)作為連通建筑物內(nèi)外的通道，需抵御突發(fā)的超高壓差，一般通過在壓力邊界安裝防沖擊波閥來實現(xiàn)，室外至防沖擊波閥之間的風管應按事故壓差設計，此外對于透壓值較大的防沖擊波閥，閥后的部分管段也應按高壓差設計。龍卷風設計壓差一般不超過10 000Pa，國內(nèi)場址多按3 000～5 000Pa設計。爆炸沖擊波相比龍卷風壓差更大，民用或工業(yè)建筑如核電和石化一般可按20 000Pa設計，某些軍用建筑需按大于10 000 Pa設計。

本文使用ANSYS結(jié)構(gòu)分析模塊進行有限元模擬。采用SHELL93殼單元建模。網(wǎng)格劃分采用自適應四邊形面網(wǎng)格。載荷設置中，自重按慣性力加載，空氣壓力按氣壓項加載。對模型進行靜力學分析和模態(tài)分析，選用大變形理論非線性方法。后處理項中分別對薄膜應力、薄膜加彎曲應力、變形進行匯總。

2.1 龍卷風工況

龍卷風壓差一般為高負壓，適用于表3中工況C，考慮到和通風系統(tǒng)正常運行壓力的疊加，本例中按6 000Pa考慮。計算風管采用1 000×500的規(guī)格，結(jié)構(gòu)按表1中的標準碳鋼風管設計。1)面板：厚1.5mm，管段長度1.2m；2)配對法蘭：FB60×8；3)加強筋：FB50×6，間距0.6m；4)支架：風管兩側(cè)固定，間距3.6m。

ANSYS計算結(jié)果見表5。

表5 龍卷風工況風管應力和變形

以上計算結(jié)果得出：6 000 Pa龍卷風工況下，標準碳鋼風管結(jié)構(gòu)的應力仍可以滿足設計要求；雖然變形略超許用值，但考慮到此類風管很少裝有測量儀表等接頭，基本可以接受。

2.2 爆炸沖擊波工況

本例爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓差載荷按20 000 Pa設計，適用于表2中的工況C。本例模型尺寸為1 000×500，相對于標準碳鋼風管，采取了如下措施：增加加強筋密度，以減少面板所受的薄膜應力；減小支架間距，以減少風管梁的彎曲應力。結(jié)構(gòu)如下：1)面板：厚1.5mm，管段長度1.2m；2)配對法蘭：FB60×8；3)加強筋：FB50×6，間距0.4m；4)支架：風管兩側(cè)固定，間距2.4m。

ANSYS計算結(jié)果見表6。

表6 爆炸沖擊波工況風管應力和變形

以上計算結(jié)果得出：爆炸沖擊波工況下，加強后碳鋼風管結(jié)構(gòu)的應力可滿足設計要求，其中加強筋密度的增加對風管應力的降低最為有效；變形略超許用值，但在瞬態(tài)下仍可接受。沖擊波閥前后的風管可參考本例，進行更為保守的設計。

3 結(jié)論

1)設計壓力在6 000 Pa以下的超高壓風管采用標準碳鋼風管結(jié)構(gòu)，可抵御一般的龍卷風載荷。但風管局部可能出現(xiàn)較大變形，若在此類風管上安裝儀表接口，需局部加強。

2)設計壓力為6 000～20 000 Pa的碳鋼風管若要抵御爆炸沖擊波，需進行額外加強，相比減小支架間距和加大鋼板厚度的方法，增加加強筋的密度最為有效。

[1]ASME.Code on Nuclear Air and Gas Treatment，ASME AG-1，1997.