(Part 3)在瞬态汽蚀条件下水锤预测的应用指南 第1部分:压力

讨论

使用的协作过程,资源和参考

这些标准始于Chaudhry [5]中总结的高级设计指南。出现了水力发电行业流体瞬变的新指南,但由于应用的性质和水电行业的经验,强烈建议完全避免瞬时汽蚀(Pejovic和Karney [9],Pejovic等人[10],Bergant等人[11] )。讨论了流体瞬变的风险管理(Anderson [12],Thorley [13])。这些都是有用的起点。 阅读更多

(Part 2)在瞬态汽蚀条件下水锤预测的应用指南 第1部分:压力

3.0安全系数/安全裕度

Very Large非常大–  200%安全裕度或3:1安全系数防止破裂

Large –  100%安全裕度或2:1安全系数防止破裂

Moderate中等 –  50%安全裕度或1.5:1安全系数防止破裂

Small –  25%安全裕度或1.25:1安全系数防止破裂

在本文中,为了区分前面单词的正常语言使用和当前安全系数/安全余量幅度的使用,在当前上下文中使用时,单词Very Large,Large,Moderate和Small被加粗和大写。 阅读更多

START软件应用技巧分享 —— “固定点荷载系数”的应用

在设计工作中,管道支架的设计是保证应力分析有效性的关键因素。管道支架设计阶段会涉及到标准支架的选型和非标支架的设计,无论是那种支架,支架承受的荷载是设计的关键,而荷载计算来自于准确的管道应力分析计算结果。工程师在START软件完成系统的管道应力分析后,软件将可以输出每个支架点的荷载值,此荷载值将作为支架设计和选型的依据,这个荷载值是通过有限元分析精确计算的结果,结果是完全可靠的。

但是精准的计算结果在实际设计中也会碰到问题,我们以上面的管道布置形式为例,该管段为高温蒸汽管道,在节点1、11、21三个点处设置有固定支架点,同时在固定支架点支架设置自然补偿弯以吸收热膨胀变形,该系统为典型的蒸汽系统自然补偿设计方法。但是通过在START软件的管道支架荷载计算结果我们可以得到如下结果:

以上为操作工况下的结果,可以很明显的看出,两端的节点1和节点21的轴向荷载为72265.82 N,而由于两侧管道热膨胀力和摩擦力抵消的作用,中间的节点11处固定点轴向力为0,这样的结果从计算角度是完全正确的,但是从支架设计的角度看,在进行固定支架设计时需要有参考荷载值才行。所以在设计规范中针对这种情况,不允许在节点11处设置如此小荷载的支架,而是在全荷载的情况下加以系数折减考虑,而这一折减系数如何在管道应力分析中考虑呢?

START软件作为一款充分从设计人员角度出发的管道应力分析软件,已经在结果输出时为用户考虑了这个问题。

用户首先需打开“约束和设备载荷报告”:

然后选择相应的“主工况”和“次工况”,同时选择管道“支架局部坐标”。

此时,您将看到如上图红圈所示的“固定点荷载系数”,这个系数仅在“支架局部坐标”下可用,支架局部坐标的定义如下:

  • Xmm——轴向,沿着管道轴向在水平面内的投影
  • Ymm——横向,水平面内管道横向
  • Zmm——竖直方向

固定点荷载系数k的考虑,此系数默认为1。如果支架荷载系数 k 不是 1,荷载将按照下述方法计算:

ü  如果固定点两侧的荷载为同一方向(N1 和 N2),系数将不会计入结果,结果仍为 N1+N2

ü  如果荷载N1和N2 的方向不同,其中较低的荷载值将乘以k系数,结果为N1+N2*k (|N2|<|N1|)

ü  如果固定支架是端部节点(类似与上图的节点1和节点21),系数k不起作用。

由于此设计人员添加系数的目的主要是为了考虑固定点两侧摩擦力不一致和不均匀受热的问题,故此系数仅对水平面内的荷载其作用,即Xmm、Ymm方向力和绕Zmm的弯矩。

以我们上面的图形为例,使用K=0.5的系数将带来如下的结果:

(节点1和节点21结果无变化。节点11处Xmm力和绕Zmm弯矩按系数折算变大,节点11处Ymm由于原始两侧力同向,结果无变化。)

START-PROF 管道应力分析软件历史

很多人总是问同样的问题:为什么以前都没有听说过START-PROF软件呢?为了回答这个问题,我们来介绍一下START-PROF软件的发展历史。

START-PROF管道应力软件是前苏联Hyprokauchuk烃类化工设计公司为了满足自身需求,于1965年在莫斯科开发的。最开始时,软件的名字为ST-01。从1969年以后,前苏联的其他加盟国设计公司开始使用START-PROF软件。

START-PROF最初是在Minsk 2电脑上面运行的,于1972年迁移到Minsk 3电脑,1976年迁移到ES-1040,1992年程序代码又全部重写到MS DOS操作系统上,2000年用C++重新写到Windows OS操作系统上。

(该软件在独联体国家地区是应力分析的标杆产品,普遍应用)

START-PROF的第一任作者是V. Magalif和 E. Shapiro先生,2000年后软件的开发团队加入了更年轻的工程师A. Bushuyev, A. Matveev, R. Dyachkov和一些专业程序员。所有主要的软件作者都是结构力学和应力分析资质的工程师,工程师们致力于软件的开发,测试,技术支持和培训,这些工程师都是博士学位。

几乎每月START-PROF管道应力分析培训课程都会举办,软件直接从用户那儿获得反馈,软件不断升级和完善。

START-PROF被广泛地应用于电厂管线,化工厂管线,油气输配和储运管网,区域供热管网和其他工业行业。

START-PROF在俄罗斯市场处于绝对的领导地位,START-PROF的分析结果和输入文件被所有的专业公司认可。国外公司设计涉及俄标项目,即便初期采用其他软件按照美国ASME B31规范做设计,但最后也都是采用START-PROF软件校核以符合俄标规范。

目前START-PROF有超过2000加用户,超过10000个许可,市场主要分布于Russia, Ukraine, Belarus, Kazakhstan, Turkmenistan, Uzbekistan, Lithuania, Czech Republic, Serbia, Finland, France, Italy, Germany, UK, Japan, China, South Korea.START-PROF的开发商PSRE公司有一个很大的炼化工程设计团队,公司内部管道工程师也是不断地在测试START-PROF软件。

俄罗斯以外及非俄语国家很少有人知道START-PROF的主要原因是:软件发展的50多年历史中,软件的界面和文件都是俄语的,2015年我们意识到国内市场已经趋于饱和,几乎每个公司都在使用START-PROF,开拓国际市场,添加美国B31系列,EN欧盟规范和GB中国系列规范致力于开发其他市场。非常肯定的是START-PROF具有很多优点:友好的输入界面,实惠的价格,易学易用等等。2016年,我们将软件的输入界面和文件都翻译成英文和中文。软件开发团队在2018年至今这一年多内,增加和测试所有的ASME B31和EN 13480规范。从2016年开始START-PROF软件在全球广泛运用。

现在,我们陆续收到ASME B31和EN规范用户的反馈意见,我们将持续提高软件应力分析的能,以满足国际管道应力工程师的要求。

START-PROF是为工程师开发的软件,而不是为程序员开发的软件。START-PROF于1965年起源于工艺设计公司,开发人员一直致力于满足管道工程师的要求。

另外,在俄罗斯没有单独的“管道应力工程师”,所有的应力分析工作都是由管道设计师完成,其中一部分人精通管道应力,而其他普通工程师的并不精通管道应力,但应用START也很容易开展管道应力分析工作。

在50多年的发展历程中,管道工程师坚持要求START-PROF更加的精简,更加智能,运算速度更快以及更加便捷地使用,因为这些管道工程师没有那么多时间来研究应力分析抽象的理论,阅读大量的手册,参考书和参加培训,他们需要在短时间内完成管道的设计和分析工作。新用户和专家都一致认为START-PROF是非常高效,迅速,智能的管道应力分析工具

START-PROF与其他的管道应力分析软件(如CARSARII和Auto PIPE)的关键差别就好像单反相机和智能手机摄像头的区别:

  • 其他管道应力分析软件好比专业单反相机(DSLR),专业的相机,昂贵,体积大,有非常多的设置,需要专业使用技能培训。几年前,单反相机是制作高质量相片的专用设备,但是现在每个智能手机相机可以自动地拍摄几乎相同质量的相片。
  • START-PROF就像智能手机摄像机,只需将镜头对准拍摄对象并按下按钮。对于绝大多数人来说:体积小,使用简单,价格实惠,不需要专业知识,只需要按下按钮就可以拍出漂亮的画片。

单反相机仅能适用于喜欢人为设置的专业人员,但是智能手机摄像机可以却被超过90%的用户喜欢。一些专业人员两者都具备,日常使用智能手机相机,仅复杂的工作采用单反相机。

START-PROF 提供:

  • 快速简单地创建模型,START-PROF建模速度会比其他软件快好几倍
  • 快速求解,START-PROF采用柔性矩阵方程替代刚度矩阵方程。DOF(矩阵大小)要比其他软件小好几倍,分析速度很快。对于中等模型,仅需要1-3s,用户可以在一次修改中更改很多设计参数。
  • 简单易学易用,客户的应用经验表明,新用户会很快学会START-PROF,新手仅需要1.5天的培训即可完全掌握,开始应力分析工作;而相比其他复杂的应力分析软件,培训建模就需要3天的培训时间,分析和解决问题需要更长的培训和学习时间。很多人都是自学如何使用START-PROF的,会使用其他管道应力分析软件的用户则可以直接使用START-PROF软件,而不需要任何培训。

START-PROF 支持如下的规范:

全部俄罗斯规范,美国B31规范,欧洲EN规范和全部中国GB规范。

 

埋地管道应力分析是START-PROF最好的功能。几乎40%的START-PROF用户涉及设计埋地管道。START-PROF计算埋地管道像架空管道一下的简单和快速。

埋地模型和架空模型是在一个模型中直接定义,并可以随时改变是架空还是埋地,土壤约束模型可以任意修改,调整,土壤约束自动建立,而不需要转换。考虑消力拱的影响。

埋地管道可以没有外保温层,也可以有各种形式的保温材料,土壤模型考虑保温材料和保护软垫的弹性影响。

自动识别完全约束管道部分和活动段部分。对完全约束部分整体失稳,局部失稳进行全面分析;对于活动段松软回填,保护软垫疲劳应力做出精准的分析。

START埋地管道可以考虑土壤沉降,浮力漂管,山体滑坡等对管道的破坏和影响。

FRP玻璃纤维管道的应力分析

塑料管道应力分析

和第三方软件的数据交换和集成

其他特点

  • 真空负压管道稳定性分析
  • 夹套管应力分析
  • 低温深冷管道应力分析
  • 特高压管道应力分析
  • 特高温管道蠕变分析和影响

关于架空管道挠度控制

架空管道承重设计主要目的是为了控制承重架的间距。也就是管道的一次应力检查。这样目的主要是控制管道挠度-下垂量的大小。

不同行业,由于输配流体特性不同,要求发生很大变化。

  1. 电力行业,蒸汽输配,由于凝结水产生,为防止凝结水积聚发生柱塞,击打管道,要求控制挠度很小。

DL/T 5054-2016电力汽水管规规定如下:

2.化工和石化在设计规范中也都有跨度设计要求。一般控制挠度在20mm范围内。

3.俄罗斯真对热水区域供热架空管道设计



区域供热热水输配,场站设计应当真对自己的管道和流体特点做出准确和争取的判断,做出设计指导,而不是盲从某个规范。

严格控制支吊架间距
  支架间距尤其是水平管道的承重支架间距不得超过管道的允许跨距(即管道的最大间距),以控制其挠度不超限。一般连续敷设的管道允许跨距(L)应按三跨连续梁承受均布荷载时的刚度条件计算,按强度条件校验,取两者中的最小值。
1.1.1 刚度条件
根据管段不应在轻微外界挠力作用下发生明显振动的要求,装置内管道的固有振动频率不宜低于4次/秒,装置外管道的固有振动频率不宜低于2.55次/秒,相应管道允许挠度在装置内为1.6 cm,在装置外为3.8 cm,它们的跨距应按式(1)和式(2)计算

(1)

(2)

式中:L1——装置内管道由刚度条件决定的跨距,m;
L′1——装置外管道由刚度条件决定的跨距,m;
Et——管材在设计温度下的弹性模数,MPa;
I——管道扣除腐蚀裕度后的断面惯性矩,cm4
q——管道的质量,kg/m。
1.1.2 强度条件
在不计算管内压力的条件下,跨距应按式(3)计算

(3)

式中:L2——按强度条件计算的管道跨距,m;
W——管道扣除腐蚀裕度后的断面抗弯模数,cm3
[σ]——管材的许用应力,MPa;
考虑管道内产生的环向应力达到许用应力值,即轴向应力达到许用应力的二分之一时,装置内外的管道由管道重量荷载及其它垂直持续荷载在管壁中引起的一次轴向应力不应超过额定许用应力的二分之一,即[σ]=0.5[σ]t的前提下,其跨距L2应按式(4)计算

(4)

式中:[σ]t——管材在设计温度下的许用应力,MPa。

什么是无补偿冷安装?如何进行无补偿器管道设计?

近日有客户和我们反映START软件在计算无补偿直埋遇到的问题。

首先,什么是无补偿?

到底是什么都不处理,管道按规划直线路由支架摆放安装,填土直埋是无补偿?

还是管道按规划路由安装,有自然补偿部分,有约束设计部分,不安装补偿器,这种是无补偿设计?不安装补偿器,完全靠自然补偿是无补偿还是有补偿设计?

到底什么是无补偿?到现在为止,区域供热这个概念是混沌的,希望能给大家澄清这个问题。

按CJJ34讨论稿的定义如下:

规范讲得是十分清楚,就是无补偿冷安装。那么这种安装带来什么问题?我们看下面的问题和事故:

无补偿由于热胀载荷没有释放,管道摩擦约束土壤运动,形成严重挤压,管道处于高应力状态,锚固段往往发生举办失稳压瘪起褶,活动段往往应力太高,破坏保温防护,失去防护的管道一旦形成腐蚀环境,应力腐蚀加速腐蚀,管道减薄速度加快,减薄后管道在挤压作用下,很容易失稳起褶压瘪,这样漏水管道就破坏掉了。

区域供热管道有下面几种安装方式:

  • 无补偿冷安装
  • 有补偿安装–自然补偿,不建议采用补偿器安装。
  • 预热安装
  • 一次性补偿器安装

在这四个安装方法中,欧洲和俄罗斯都是优先采用自然补偿安装。在特殊路由才有预热,一次性补偿器,小口径管道会采用无补偿冷安装。

大口径管道,尤其是800mm直径以上的。最好是预热或一次性补偿器安装。这样可以降低轴向压应力水平,避免起褶压瘪发生。降低管道应力水平,不单单是强度和稳定性的保证,更重要是避免应力腐蚀发生。

下面,我们看个案例:

DN1020X13mm,安装温度10度,运行温度120度,材料Q235B,压力1.6Mpa。

 

无补偿冷安装计算应力报告如下:

好多位置应力通过不了,疲劳应力失效位置主要是在折角点出,局部失稳主要是在长直段上。

采用70度预热安装+大弯曲半径弧段

折角采用大弯曲半径弧段安装,这样配合在一起,仍然可以做到无补偿器安装。仍然维持业主要求的路由。

整个管道一次应力,二次应力,完全约束直管热态应力OPE检查都可以符合规范要求。

采用预热安装,局部失稳报告也全部通过。

这样就很容易实现按给定路由,不必增加管道壁厚,采用预热+大弯曲半径弧段连接折角点方式,实现无补偿器设计。这样管道轴力冷拉-热压,力气各是一半。就可以保证管道安全,不发生起褶压瘪发生。保证管道运行安全和寿命。

建议:

最好是利用自然补偿来释放热胀。如果坚持不采用补偿器设计,大口径管道(800mm以上的采用预热安装,或一次性补偿器安装),小口径的500mm左右的,可以采用无补偿冷安装设计。靠管道自身左右摆龙释放热载。

START软件支持无补偿冷安装,预热安装,一次性补偿器,自然补偿,架空和埋地,具体应用中遇到的问题,大家得来电话咨询,我们提供及时高水平得支持和服务。

三通承压壁厚计算说明

三通是属于管道中的常用元件,在热力行业中常见的三通形式有三种:直接开口焊接三通(图1);带补强板结构三通(图2)和拔制成型三通(图3)。其中图1的结构主要用于大管开小口的结构,图2和图3可以用于所有的开口形式,但是小管更常用图3的结构(GB12459上面最大允许到DN800),而现在有些单位DN800以上的三通也采用图3的结构。由于热力行业普遍没有三通承压补强的概念,认为只要三通比主管厚2mm就能解决所有三通的承压问题,其实这是一个非常错误的观念和认识。那么接下来,讨论一下三通的计算方法和常见的三通需要壁厚。

图1??????? 图2图(3)

 

三通的开孔补强计算,目前所有现行的规范中提供了如下几种方法:

  1. 等面积补强法
  2. 压力面积法
  3. 应力集中系数法
  4. 有限元法

其中等面积补强法是运用最为广泛的,国内的压力管道规范和ASME B31系列的管道规范都是采用这样的方法计算三通的补强。该方法的核心思想就是通过开孔周围有效补强范围内多余的承压面积来补强三通开口削弱的承压面积,因此在DN1400的管道上开DN1000和DN200的分支,对主管的削弱程度差别会很大,需要的壁厚也会差别很大,所以不能简单地认为三通比主管厚2mm就能解决所有的三通承压问题。另外,有限元法是被认为最接近真实受力的一种计算方法,该方法被认为是检验其他计算方法的一个标杆,因为该方法根据受力受压边界条件,考虑压力作用引起承压元件内的应力类型,同时根据不同类型应力引起的破坏形式的不同,从而给定了不同的许用应力进行评定,即:应力分类分析。应力分类分析最早出现在1960年左右的ASME规范中,经过半个多世纪的运用,该方法应力在各国规范中普遍认可的一种分析方法。

首先,以带补强圈结构三通(图2)为例,比较ASME B31.3,GOST/START和有限元三种方法计算出的不同三通尺寸的最小需要壁厚的差别。本次计算假设三通的主管,支管和补强圈的壁厚相同。同时,不考虑三通的成型减薄量和腐蚀余量。

 

补强板形式三通最小需要壁厚
计算条件 规格 ASME B31.3/PV Elite GOST/START FEA/Nozzle PRO 补强板尺寸
1.6MPa&130℃ DN1400X1400 15 18 16 宽度200
DN1400X1200 14 16.5 14.5 宽度200
DN1200X1200 12.5 15 13.5 宽度200
DN1200X1020 11.5 13.5 12.5 宽度200

 

从计算结果上发现ASME B 31.3/PV Elite的计算需要壁厚略小于有限元FEA/Nozzle PRO的计算结果,这样是比较冒进的,容易导致三通腐蚀后成为管道中的薄弱元件,本来三通都是属于应力集中的地方,这样会加速由三通导致的管道失效和破坏;GOST/START的计算结果略高于FEA/Nozzle PRO,这样就使得三通不是管道中的薄弱元件,确保了管道的失效破坏不会由三通的承压问题诱发。

 

其次,以拔制成型三通(图3)为例,比较GOST/START和有限元两种方法计算出的不同三通尺寸的最小需要壁厚的差别(由于ASME B31.3中没有对应的计算方法)。本次计算假设三通的主管和支管的壁厚相同,三通成型弧角r=80mm。同时,不考虑三通的成型减薄量和腐蚀余量。

 

 

拔制成型三通最小需要壁厚
计算条件 规格 GOST/START FEA/FEA tee
1.6MPa&130℃ DN1400X1400 25.5 23
DN1400X1200 23 20.5
DN1200X1200 21.5 19.5
DN1200X1020 19.5 17

 

从计算结果来看,GOST/START的计算结果略微高于FEA/FEA tee的计算结果,这样就确保了三通的承压强度。

结论:通过对比两种不同形式的三通对应的不同的四种规格,可以发现,GOST/START 的计算结果都略高于FEA/FEA tee有限元的计算结果,偏差范围在10.26%~13.79%之间,因此START的计算结果是安全可靠的,而且并没有太多的余量。

附录:

1.压力面积法

Ap是压力作用部分,主管挖空后,压力要将管道撕开。

Af是(主管+颈部弧段+直管)*厚度*材料许用应力,来往回拉。

2.等面积补强

原则就是丢失的面积A7,必须被其他补强面积和来补充。A1+A2+A3+A4+A5>A7就满足了。

START土壤数据库详解

1土壤物理参数

土力学提供了土壤物理参数和测量获得方法

2.CJJ81规范中谈到的土壤特性参数:

首先我们来看一下CJJ/T 81-2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》在应力计算章节有关土壤特性参数的使用主要体现在几个方面:

  • 单位长度摩擦力的计算:土壤密度(1800kg/m3
  • 计算垂直失稳时,土壤静压力系数K0,回填土内摩擦角φ-30°
  • 转角管段弹性抗弯铰解析计算法:土壤横向压缩反力系数C,具体取值方法如下:

在管道产生水平位移和竖向位移时,由于受到土壤的阻碍而对管道产生弯矩作用,这时就需要用到土壤的压缩反力系数(C —-土壤横向压缩反力系数(N/m3);),但通过上述取值可以发现,区间取值较大,不好取值。

这个值实际相当于土壤约束管道变形是的横向刚度值。这个值不应当是测量出来的,应当根据土壤的特性推导出来的,参见下面START土壤横向刚度和竖向刚度计算方法。

最后总结:CJJ81提供的土壤摩擦力计算,弯头应力计算,整体埋深-轴力失稳计算涉及到的基本土壤参数也就是土壤密度。其他几个都是推导过来的,CJJ81没有讲特别清楚,C土壤横向压缩反力系数给了个变化范围。

3.START软件土壤模型和土壤参数:

START软件是一个完整全面的有限元管道应力分析软件,在埋地管道分析是,我们首先要建立土壤力学约束模型。

START根据已有的土壤数据库、管径大小、埋深等数据来计算土壤三个方向上的刚度特性,并且根据模型的特点自动分配土壤约束密度,从而更准确的计算管道所受外载荷,如下所示:

轴向土壤刚度考虑管道所受摩擦力影响,其刚度大小主要根据土壤的比重、内摩擦角、轴向运动抵抗力系数、保温层附着力系数、埋深等参数计算得出。

水平土壤刚度考虑管道产生横向位移时土壤的阻碍作用,其刚度的大小综合考虑土壤的弹性模量、土壤地基承载力特征值、泊松比、埋深、管径大小计算得出。

竖向土壤刚度考虑管道产生竖向位移时土壤的阻碍作用,其刚度的大小综合考虑土壤的弹性模量、土壤地基承载力特征值、泊松比、埋深、管径大小计算得出。

在START软件中,内置土壤数据库,包含不同类型土壤的物理特性,这些物理特性均来源于莫斯科VNIIST(全俄管道建设运营科学研究院)的试验结果。具体如下:

编号 类型 描述 弹性模量

Mpa

泊松比 空隙比 内摩擦角

°

天然土比重tf/m3 土壤颗粒比重tf/m3 土壤内聚力Mpa 地基承载力特征值Mpa 轴向运动抵抗系数tf/m3
01 砂土 粗砂 30 0.3 0.65 30 1.52 2.66 0.001 0.15 270
02 砂土 细砂 30 0.38 0.65 30 1.55 2.66 0.002 0.16 210
03 亚黏土 颗粒在0.3~0.75 40 0.33 0.42 19 2.1 2.71 0.01 0.2 350
04 砂土 中砂 30 0.38 0.65 30 1.7 2.66 0.001 0.16 210
05 泥炭 湿泥炭 0.27 0.45 15.5 10 0.5 1.6 0.002 0.014 100
06 泥炭 干泥炭 0.27 0.45 15.5 10 0.5 1.6 0.002 0.014 50

 

上述的土壤物理特性参数在相关的土力学书籍中均可以找到,但具体数据需要做相应的试验去获取。

例如:通过管道轴向运动实验,获取土壤轴向剪切阻碍运动系数cx0.

 

与CJJ/T 81-2013规范谈及的轴向摩擦力和弯头弯矩计算涉及的土壤特性参数相比,用户地面管道直埋模型是,选取基础土壤类型(往往是粗砂)和回填土类型(往往是中沙),START软件根据土壤数据库参数建立土壤力学模型,该模型充分考虑土壤在竖向,横向和轴向对管道锚固段和活动段的不同约束效果,结合管道的内压,温度,管道重量,通过有限元求解内力,应力,约束力和管道位移。不仅考虑的更加全面,计算更精准。

除此之外START支持用户根据实测的土壤数据自定义土壤数据库。扩充自己的土壤数据库。

GLIF电力特高温管道松冷的讨论(第二部分)

弯头,三通热胀变形,产生二次应力,引发疲劳破坏。二次应力许用值采用安定性原则来控制范围,也就是首次升温允许过塑性(超过屈服强度),但不允许超过两倍屈服强度。

这样做的好处在于,温升超过屈服强度后继续升温,材料进入塑性区,由于温度有自限性,在两倍屈服强度范围内就不会沿材料拉伸曲线继续前移。会驻留在塑性区一个点上(超过屈服后的+向应变位置),但当降温的时候,有一个反向的对应-应变的反向加载。形成持续运行一段时间,停车冷却后管道的自冷紧效果。

这样做的好处是在常温闭合安装管道,让管道形成回冷后自冷紧效果。在接下来的管道冷-热循环过程中,控制变化范围在 +Sy(屈服强度)—-Sy(屈服强度),这就是安定性原理。 在这个范围内冷–热循环的管道不发生疲劳破坏。

如果要是不采用这种首次升温允许超过屈服,进入塑性的做法,就得在安装闭合管道的时候采用降低温度,控制首次升温不允许超过屈服的做法。

这种方法没法实施,也不经济。所以人们普遍采用安定性来控制二次疲劳应力。

但这种做法会在回冷时,产生自冷紧作用,这个就是我们成为Cold(回冷)工况。但这个和GLIF提出的松冷不是一回事。

Glif提出的松冷,是要考虑380度特高温引发的蠕变和额外自冷紧作用,但没有解决方法,就采用将540度—》降温到20度, 管口位移方向相反,将反向加载产生的管口推力弯矩,称为松冷推力和弯矩。

这种过份简化,充满幻想的做法是不正确的,也是不可取的。

为什么要关注汽轮机管口松冷推力?西门子和GE对他们的汽轮机都明确和设计单位提出管口载荷要求。很多电力设计院联系我们,问如何能够计算和提供这个载荷。

  1. 我们接下来和大家谈管道的状态:

首先,我们看架空管道和埋地管道的热态OPE,和停车后的冷态(回冷)Cold。

我们在看一下主汽管道的热态OPE和冷态Cold,以及安装态。

粉线位置是OPE热态位置Hot,兰色线是Cold停车回冷位置,绿线是安装位置。

这时,我们可以看到hot热态的推力和管道位置,Cold回冷态的推力和位置。这个Cold推力不是CAESARII的SUS推力,也不是GLIF初冷推力。因为这个推力是在摩擦力反向加载阻碍管道停车降温回缩产生的拉力和弯矩。而CII和GLIF计算的冷推力,主要是重量和压力 没有考虑回缩,以及摩擦力反向的阻碍作用,计算的实际是安装工况冷载。

这就解释清楚了。有些长期在现场做电力管道整改的电科院的人员问我们,为什么CII和GLIF计算的OPE热态状态和现场是一致的,而回冷对不上,不一致的原因了。

是因为您以往使用的CII和GLIF都没有计算Cold回冷的能力,误将SUS安装态当做了回冷态了,所以不清楚回冷怎么计算不出来。

其次,我再来谈谈什么是特高温管道的蠕变和自冷紧:

什么是特高温管道?俄罗斯称为370度以上,中国GLIF专家认为是420度的高温管道为特高温管道。材料在持续高温作用下回发生蠕变Creep现象。

看上面的图,可以发现,蠕变会导致管道二次应力降低,继续增加管道柔性,让您得管道变得更加柔软。

蠕变回让你的管道挠度加大,增大一次应力。

这就是我们为什么在特高温管道上面不要做冷紧,冷紧在蠕变下会消逝;我们要减小支架间距,减小重量和蠕变带来的挠度;为什么DLT5366 规定的二次应力许用值是1.20(Sc+Sh)-SL是不合适的,如果降低二次应力许用值,管道就必须增大柔性,但蠕变会加大柔性,这样做,让我们的主汽管道柔性太大,管道没有筋骨,容易发生振动。

俄罗斯引入蠕变和自冷紧系数,这样就可以采用应力分析软件根据热态OPE(Hot),来计算蠕变和自冷紧后的真实松冷状态了。不仅可以计算松冷推力,还可以计算Ho(蠕变后)t状态应力和回冷Cold(自冷紧后)应力。

俄罗斯不看B31的二次应力,如果你看这个管道的二次应力,您会发现二次应力很低,这个设计不好。

俄罗斯是控制OPE和Cold的应力水平,让他近可能接近各自许用值,这样也是满足柔性要求,只不过是热和冷各控制一半。这样作出的系统在柔性满足前提下,满足一定的刚性,抵抗管道振动发生。

这时候,我们可以看到OPE(Hot)热态,Cold(回冷),Post Resting(蠕变和自冷紧,松冷),水压试验(HYD)下的管口推力和弯矩。

 

之所以能够这样计算,是有前提的:

  • 记录OPE的状态和位置。
  • 管道考虑蠕变和自冷紧系数影响。
  • 管道回缩,摩擦力反向。

针对特高温管道,计算蠕变和自冷紧十分重要,东北电力院GLIF专家团队对这个点,认识到了,但没有方法来解决。

计算这个松冷工况的意义在于:

1.控制特高温管道合理的二次应力范围,让管道在满足管道推力下有足够的柔性,而不是过度的柔性,

2.计算出设备管口在蠕变和自冷紧作用下,松冷的推力。有些情况下,松冷的推力会大于热态OPE的推力的。之所以西门子和GE这些汽轮机厂家要提供这个松冷推力和弯矩,是为了在接下来停车检修时,知道管道松冷下的推力大小和方向,以便施加反向载荷来拆卸维护设备。

上面就是 GLIF电力特高温管道松冷的讨论(第二部分)

 

这样,我就将这个很多人提问的问题澄清了,并且结合GLIF和CII来讲解。这个问题以前一直困扰大家。

即便GLIF大量应用在电厂设计上,很多人并没有对这个软件的工况弄得特别清楚,多数人都是糊里糊涂的使用。这种做法给电力设计和发展带来了很大的弊病。

 

针对以往主汽等四大管道设计,都是套路化了 ,计算一下,应力通过,弹簧选出来了,管口载荷通过了,万事大吉。不思考,让设计人员变呆。

但针对现在新的蒸汽长输设计,埋地热水管道设计,很多单位想参与,不会设计,原因是以往都拿软件当做解决成熟问题的手段了。遇到新问题,就是不会思考和解决了。

我们看问题是要看本质,不要看表象。掌握方法和原理,什么问题都迎刃而解。

This site is protected by wp-copyrightpro.com