核電廠中，管道支吊架及管道數(shù)量繁多且較復(fù)雜。文中以某核電廠某系統(tǒng)的一個(gè)管道應(yīng)力分析單元為例，以管道應(yīng)力計(jì)算的專業(yè)軟件為平臺(tái)，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)復(fù)雜管道系統(tǒng)中管道支吊架進(jìn)行了布置設(shè)計(jì)。
計(jì)算模型
計(jì)算模型中的基本參數(shù)：材料為不銹鋼Tu42C，大管道公稱直徑700mm，管道壁厚12．5mm，總長(zhǎng)度約43m，保溫層的線密度為0．560N／mm；小管道公稱直徑4o0mm，管道壁厚8．0mm，總長(zhǎng)度約25m，保溫層的線密度為0．317N／mm；管內(nèi)流體均為水，計(jì)算溫度90℃，壓力為4bar，抗地震等級(jí)為2級(jí)。管道系統(tǒng)的三維模型如圖l所示。計(jì)算的有限元模型見圖2，共劃分134個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為135。
計(jì)算結(jié)果與分析
通過數(shù)值模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)果見表2～5和圖3。該模型中管道支吊架布置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于熱膨脹載荷和地震載荷作用下的支吊架布置和功能選擇。在熱脹載荷作用下，大管道和小管道的熱脹位移方向不一致，很容易使三通成為應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)。另一方面，由于大管道的豎直段較長(zhǎng)，增加了考慮重力和地震載荷時(shí)的設(shè)計(jì)困難。以上兩個(gè)方面是在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的。
從管道的走向和幾何尺寸，管道支吊架可以比較容易地確定支架1，2，3，4，1l，12，13，l5的功能類型為G。由于支架4在靠近三通處，處于敏感區(qū)，其位置需要在計(jì)算中不斷調(diào)整，其余幾個(gè)LG類型支架的位置都可以直接確定。確定以上支架以后進(jìn)行計(jì)算，輸出圖3中編號(hào)為510與l4處的位移，計(jì)算結(jié)果見表2，3，同時(shí)，管道支吊架得到支架3承受的重力載荷為163．3kN；支架4承受的地震載荷為223．5kN，該力來自大管上面水平段的地震沖擊。
從表3可以看出，應(yīng)力比值遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目的，需要設(shè)計(jì)其它支架。管道支吊架由于支架3承受的重力載荷太大，需要在編號(hào)5的位置設(shè)計(jì)一個(gè)支架，為了解決重力和熱脹的矛盾，將支架5設(shè)計(jì)成彈簧吊架。分析表2的計(jì)算結(jié)果，支架6設(shè)計(jì)為軸向和橫向約束，可以解決支架4地震力過大的問題，支架7為承重支架；支架8處的水平地震位移很大，可將支架8設(shè)計(jì)為橫向約束；支架9處的水平熱脹位移較大，設(shè)計(jì)為承重支架；支架10處的水平熱脹位移小，地震位移大，管道支吊架設(shè)計(jì)為橫向約束支架；支架14處的軸向和豎直方向的位移較大，設(shè)計(jì)為軸約束和豎直約束的支架。支架6～10和14的設(shè)計(jì)，很好地解決了大管道重力、熱脹和地震載荷之間的矛盾。計(jì)算的應(yīng)力比值和管道支吊架反力都滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，見表4，5。
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