高溫管道支座的熱應(yīng)力分析

宋 靜 宋 會(huì) 張慶民

中材建設(shè)有限公司（100076）

工業(yè)生產(chǎn)中，用來輸送高溫流體的管道非常普遍。 當(dāng)高溫流體進(jìn)入管道時(shí)，由于流體溫度與環(huán)境溫度的差異，管壁會(huì)產(chǎn)生熱膨脹，由于外部約束的存在，熱變形受阻，熱應(yīng)力由此產(chǎn)生。熱應(yīng)力如果超過設(shè)備極限值，會(huì)造成設(shè)備損壞，影響正常生產(chǎn)運(yùn)行。如果支座固定在鋼結(jié)構(gòu)上，通過熱傳導(dǎo)作用，鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能隨著溫度升高而下降，極易造成鋼結(jié)構(gòu)的變形、裂紋甚至斷裂。因此，在設(shè)計(jì)階段綜合考慮溫度、自重和其他外加載荷的影響，進(jìn)行管道和支座的應(yīng)力分析，是避免設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行事故的必要環(huán)節(jié)。

文章運(yùn)用有限元軟件對(duì)管道系統(tǒng)的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到熱應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，并與不考慮溫度效應(yīng)時(shí)的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行比較，得出高溫管道熱應(yīng)力分析的必要性，為今后高溫管道系統(tǒng)安全運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 模型

如圖1 所示，輸送管道直徑為Φ1 500 mm，管道壁厚為8 mm，外有200 mm 厚度的外保溫層，總長(zhǎng)度約為23 m。 管道由滑動(dòng)支座A 和滑動(dòng)支座B進(jìn)行約束固定，高溫氣流從管道上方進(jìn)入，下部排出。

管道是用鋼板卷制焊接成的的薄壁殼體，其厚度小于板面長(zhǎng)寬的尺寸， 屬于有限元的薄板問題。建立有限元模型時(shí)，薄板問題通常采用殼單元[1]。根據(jù)管道的幾何結(jié)構(gòu)，采用殼單元建模，有限元模型如圖2 所示。

2 邊界條件

1）位移邊界條件:滑動(dòng)支座A 限制管道水平方向移動(dòng)，允許豎直方向自由伸縮；滑動(dòng)支座B 使管道豎直方向固定約束，水平方向可以在小范圍內(nèi)移動(dòng)。

2）載荷:管道內(nèi)部高溫氣流溫度450 ℃，滑動(dòng)支座邊緣溫度264.3 ℃。內(nèi)有50 mm 厚度的掛灰灰載，管道和支座自重。

圖1 管道幾何結(jié)構(gòu)圖

圖2 管道有限元模型

3 熱應(yīng)力分析與結(jié)果討論

由于滑動(dòng)支座B 為主要約束部件，受力復(fù)雜，文章將以該支座為對(duì)象進(jìn)行熱應(yīng)力分析結(jié)果的探討。

3.1 靜力強(qiáng)度計(jì)算

為了與熱應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，在模型上單獨(dú)施加靜力載荷，進(jìn)行靜力強(qiáng)度分析。 通過加載載荷，同時(shí)支座底板已被約束，管道和支座會(huì)產(chǎn)生變形，利用有限元軟件求解，可得到模型每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，其值可通過不同顏色在實(shí)體模型上呈現(xiàn)[2]。所得應(yīng)力和變形結(jié)果如下圖所示（圖3～圖4）。

表1 數(shù)據(jù)來源于GB 150.2—2011

由圖3 可知，靜力載荷下，最大等效應(yīng)力為13 MPa，最大點(diǎn)位于支座立筋上。由于風(fēng)管重量全部壓在支座上，立筋向下傳遞壓力，并由立筋的結(jié)構(gòu)形式可知，兩層立筋寬度不同，在上層立筋的彎矩作用下，最大點(diǎn)出現(xiàn)在下層立筋的內(nèi)上角點(diǎn)與實(shí)際情況相符。

從圖4 可知，靜力結(jié)構(gòu)分析下，支座幾乎沒有變形，具有良好的剛度。

圖3 靜力分析等效應(yīng)力云圖

圖4 靜力分析綜合變形云圖

3.2 熱應(yīng)力分析

根據(jù)給定的結(jié)構(gòu)邊界溫度值， 確定計(jì)算邊界條件， 同時(shí)在計(jì)算模型上施加材料的熱特性參數(shù)，進(jìn)行該模型的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析，計(jì)算得到模型的溫度場(chǎng)分布。

圖5 熱應(yīng)力分析等效應(yīng)力云圖

溫度場(chǎng)分析得到的溫度對(duì)結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)變和應(yīng)力有顯著的影響，但結(jié)構(gòu)的響應(yīng)對(duì)熱分析結(jié)果沒有很大的影響，所以由溫度求解得到的節(jié)點(diǎn)溫度將在結(jié)構(gòu)分析中用作體載荷。 改變單元類型，從熱分析中施加溫度體荷載，施加結(jié)構(gòu)載荷，可得支座的熱應(yīng)力結(jié)果。 由圖5 可知， 支座受力最大點(diǎn)為228 MPa＜320 MPa，強(qiáng)度滿足要求。 溫度作用下，支座膨脹變形，支座環(huán)形鋼板由于立筋的阻擋作用，在環(huán)形板外邊緣與立筋連接處受力最大。

4 結(jié)語

綜上，靜力作用下，支座幾乎沒有變形，具有良好的剛度，最大等效應(yīng)力為13 MPa；溫度作用下，支座膨脹變形，支座受力最大點(diǎn)為228 MPa。

由此可知，熱應(yīng)力比靜應(yīng)力大很多，高溫下支座的破壞往往可能因熱應(yīng)力過大而導(dǎo)致。 因此，對(duì)高溫管道系統(tǒng)進(jìn)行熱分析是必要的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度分析時(shí)，必須進(jìn)行熱應(yīng)力分析。