使用START软件时相关问题描述

在使用start软件时相关问题描述
所用版本4.80R2
问题1.关于直埋管道壁厚问题
假定一个模型,管径DN1400,其余参数均为常规参数
(1)首先,将埋深设为1m(基本无覆土),内压设为2.5MPa。其计算结果如下:

计算壁厚17.5mm
(2)然后,将埋深设为4m,内压设为0MPa(几乎空管)。其计算结果如下:

计算壁厚为6.5mm
(3)第三步,将埋深设为4m,内压设为2.5MPa。其计算结果如下:

计算壁厚为24.6mm
从上述结果可以看出start软件在计算壁厚时,基本是将内外压作用相加,从而确定壁厚,且内压作用远大于外压作用。此处不讨论内外压谁的作用大(根据埋深和内压不同会有变化)。仅说内外压作用相加的问题,内外压本身为作用方向相反的力,本应互相抵消,摘取区域供热手册102页中一段:

计算为保险起见,不考虑土壤消力拱,不考虑内外压相互抵消作用,我都可以理解。但是内外压还要相加是不是太过保守了?抛开国内CJJ81不谈,我查询欧标en13941,也并未找到这种内外压相加的算法?由此造成的结果就是start计算的管道壁厚整体厚4~5mm。1.6MPa管道还不明显,2.5MPa管道基本埋深一点就不过。

北京艾思弗公司回答: 关于埋地管道在内压和外压共同作用下,管道壁厚的计算。为何外压和内压对环向应力的贡献没有按相互抵消后来计算,而是按相加来计算?

原因是:
 管道的壁厚不是弯曲均匀的,管道的圆度也不是100%的。
 管道在外压的作用下,有可能发生壳体局部环向失稳,这时就会产生局部弯曲应力,一旦这个应力和内压产生的弯曲应力+薄膜应力叠加,就会引发管道壁厚的失效。

鉴于上面的两个原因,埋地管道壁厚计算考虑土壤外压+工作内压的共同作用。

关于这个在下列书籍里面都有描述和说明:

START Element中埋地管道壁厚分析采用有限元方法来做埋地管道土壤外压和内压作用下壁厚计算,不是通过解析公式计算
 土壤外压和介质内压产生的弯曲和膜应力
 管道环向失稳计算
 聚氨酯保温应力计算
 非线性聚氨酯保温管道直埋环有限元应力计算包括:
1. 环绕管道圆周的土壤弹簧作用
2. 压力气球效应(阻碍椭圆化)
3. 上端土壤脱离(管道底部主要受压作用)

关于EN13941,你阅读的那部分:

这里忽略外压导致管道椭圆化应力,是管道系统应力分析时(这时管道壁厚已经按承压计算决定完成),在管道节点应力(如二次应力)计算时,由于内压抵消椭圆化作用,所以不考虑他到节点应力中。
在最开始,计算管道壁厚时,EN13941管道壁厚是在A1中控制的。规范明确要求考虑全部载荷最大合成环应力对壁厚膜应力影响,A1要求考虑全部载荷

欧盟的理念和其他是一致的,但他没有提供管道埋地在土壤外压和内压作用下管道壁厚的计算方法。
欧盟EN3941要求在壁厚计算的是要考虑全部载荷的最大环应力。但在应力分析的时候,这时管道壁厚在前面已经明确,整体应力分析时,可以忽略额外载荷引发管道椭圆化的环应力,因为这个量相对小,内压产生的环应力会抵消他。
问题2.关于小折角问题
根据描述,软件中短接弯头代表坡口斜切,建立了以下模型:

图中5点是一3°小折角
首先我插入一个短接弯头

计算结果,弯头应力为201.09

然后我将5点改为一个1.5D弯头

计算结果,弯头应力为295.53

从以上结果看,坡口焊比1.5D弯头应力条件还好?这可能吗?对计算结果准确度表示质疑。如果短接弯头不代表小折角。那么软件如何计算小折角?
以上两个问题是使用中遇到的较严重的问题,其他问题基本可以自己克服。希望重视。
北京艾思弗回答:
热力直埋管道在小角度折角点应力计算,CJJ81中有明确的控制要求。
折角斜口焊接,由于变化角度很小,折角的SIFi值和角度有关系,越小角度,sif值几乎和直管一样,i=1.你采用1.5D弯头,而弯头的sif值和角度没有关系。两种不同方式连接,柔性系数也不一样。
折角斜口焊和1.5D弯管结构形式不一样,他们的变形和破坏不一样,计算出来的应力无论是整体有限元,还是局部有限元得出的结果都是一致的。
采用START软件计算:

采用FEPIPE局部有限元软件计算:
建立模型如下;

折角角度5度,分别采用斜口焊,1.5D弯管和30米弯曲半径弧管,结果如下:

上面详细的局部变形,也可以看出来,折角的变形和1.5D弯管的变形明显不同。我分别采用梁单元(START)和壳体单元(FEPIPE)两个有限元模型来模拟你的问题,答案是一致的。你不能用您的感觉,来判断这么复杂局部结构变形的力学分析。
管道连续改变方向,折角点的设计到底应当如何设计?CJJ81-2013规范上面讲的十分清楚,也很正确。START软件和CJJ81规范在小角度斜口焊是高度一致的。

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