高温管道支座的热应力分析
2021-07-12张庆民
宋 静 宋 会 张庆民
中材建设有限公司(100076)
工业生产中,用来输送高温流体的管道非常普遍。 当高温流体进入管道时,由于流体温度与环境温度的差异,管壁会产生热膨胀,由于外部约束的存在,热变形受阻,热应力由此产生。热应力如果超过设备极限值,会造成设备损坏,影响正常生产运行。如果支座固定在钢结构上,通过热传导作用,钢结构的力学性能随着温度升高而下降,极易造成钢结构的变形、裂纹甚至断裂。因此,在设计阶段综合考虑温度、自重和其他外加载荷的影响,进行管道和支座的应力分析,是避免设备出现运行事故的必要环节。
文章运用有限元软件对管道系统的温度场进行模拟计算,得到热应力场的分布情况,并与不考虑温度效应时的结构分析结果进行比较,得出高温管道热应力分析的必要性,为今后高温管道系统安全运行提供理论依据。
1 模型
如图1 所示,输送管道直径为Φ1 500 mm,管道壁厚为8 mm,外有200 mm 厚度的外保温层,总长度约为23 m。 管道由滑动支座A 和滑动支座B进行约束固定,高温气流从管道上方进入,下部排出。
管道是用钢板卷制焊接成的的薄壁壳体,其厚度小于板面长宽的尺寸, 属于有限元的薄板问题。建立有限元模型时,薄板问题通常采用壳单元[1]。根据管道的几何结构,采用壳单元建模,有限元模型如图2 所示。
2 边界条件
1)位移边界条件:滑动支座A 限制管道水平方向移动,允许竖直方向自由伸缩;滑动支座B 使管道竖直方向固定约束,水平方向可以在小范围内移动。
2)载荷:管道内部高温气流温度450 ℃,滑动支座边缘温度264.3 ℃。内有50 mm 厚度的挂灰灰载,管道和支座自重。
图1 管道几何结构图
图2 管道有限元模型
3 热应力分析与结果讨论
由于滑动支座B 为主要约束部件,受力复杂,文章将以该支座为对象进行热应力分析结果的探讨。
3.1 静力强度计算
为了与热应力结果进行对比分析,在模型上单独施加静力载荷,进行静力强度分析。 通过加载载荷,同时支座底板已被约束,管道和支座会产生变形,利用有限元软件求解,可得到模型每个节点的应力和应变,其值可通过不同颜色在实体模型上呈现[2]。所得应力和变形结果如下图所示(图3~图4)。
表1 数据来源于GB 150.2—2011
由图3 可知,静力载荷下,最大等效应力为13 MPa,最大点位于支座立筋上。由于风管重量全部压在支座上,立筋向下传递压力,并由立筋的结构形式可知,两层立筋宽度不同,在上层立筋的弯矩作用下,最大点出现在下层立筋的内上角点与实际情况相符。
从图4 可知,静力结构分析下,支座几乎没有变形,具有良好的刚度。
图3 静力分析等效应力云图
图4 静力分析综合变形云图
3.2 热应力分析
根据给定的结构边界温度值, 确定计算边界条件, 同时在计算模型上施加材料的热特性参数,进行该模型的稳态温度场分析,计算得到模型的温度场分布。
图5 热应力分析等效应力云图
温度场分析得到的温度对结构分析的应变和应力有显著的影响,但结构的响应对热分析结果没有很大的影响,所以由温度求解得到的节点温度将在结构分析中用作体载荷。 改变单元类型,从热分析中施加温度体荷载,施加结构载荷,可得支座的热应力结果。 由图5 可知, 支座受力最大点为228 MPa<320 MPa,强度满足要求。 温度作用下,支座膨胀变形,支座环形钢板由于立筋的阻挡作用,在环形板外边缘与立筋连接处受力最大。
4 结语
综上,静力作用下,支座几乎没有变形,具有良好的刚度,最大等效应力为13 MPa;温度作用下,支座膨胀变形,支座受力最大点为228 MPa。
由此可知,热应力比静应力大很多,高温下支座的破坏往往可能因热应力过大而导致。 因此,对高温管道系统进行热分析是必要的,在结构设计强度分析时,必须进行热应力分析。