孙志国,孟剑虹，彭江海,聂伟,杨仲卿,孟胜利

(1.中建三局第二建设工程有限责任公司,湖北 武汉 430070；2.重庆大学能源与动力工程学院,重庆 沙坪坝 400000；3.中国电建集团华中电力设计院有限公司,河南 郑州 450007)

1 引言

对于高层建筑而言,合理的管道设计以及布置以及全面的管道应力分析是确保空调管路安全的重要措施[1]。国内外许多学者对各种类型的管道进行了应力分析研究。张桦通过对输水管道中的埋地管道进行分析,总结出了对管道有很大危害的应力类型并且提出了预防措施和建议[2]。；李进春通过CAESARⅡ对高炉改造工程制氧机系统主蒸汽管道进行了建模与应力分析,通过比较不同支吊架设置以及管道走向得出最佳方案[3]；杜明俊则是利用CAESARⅡ建立了合理的埋地热油管道应力分析模型并进行数值计算,分析了操作温度与安装温度差值、管道埋深、土壤内摩擦角等参数对管道局部推力和位移的影响[4]。

高层建筑空调管道的应力通常可以分为一次应力、二次应力和操作应力这几种。其中管道的一次应力过高会导致管道的断裂破坏,二次应力过高会导致管道的疲劳破坏, 操作应力过高可能导致管道的疲劳破坏和脆性断裂[5]。由于不同管径的管道受承受的应力水平不同,因此探究不同管径管道的应力变化规律具有重要意义。本文利用应力分析软件CAESARⅡ在定压和定温的两种工况下通过对不同管径的管道进行应力分析,得出管径对管道应力影响规律,为空调管道的合理设计提供理论依据。

2 管道模型的建立

本文截取了某暖通空调系统中冷却水管道系统的一段管道模型,管道采用滑动支架和导向支架作为支撑,分别在起点和终点设置一个固定支架,用以截断研究对象以外管道对模型的影响,管道具体支吊架设置和管道走向如图1所示：

图1 管道模型

根据实际暖通空调安装的常用工况管材采用了常用的20号钢材的管道,为了探究不同管径管道在不同温度压力条件下的应力规律所以设置了两种工况。工况一是在管道压力一定的条件下通过设置几个不同温度梯度来探究不同管径管道的应力情况,由于一般空调系统制冷时一般输水温度为7℃-12℃,制热时输水温度为40-45℃,而锅炉房输水温度一般在70℃以上,所以此工况下设置三种温度分别是10℃、40℃、70℃,管道压力则固定为2.5MPa。工况二则是在管道温度一定的条件下通过设置几个不同的压力梯度来探究不同管径管道的应力情况,管道压力分别设置为1Mpa、3Mpa、5Mpa,温度固定为25℃。两种工况下所采用的管道管径及壁厚如表1所示。

表1 管径壁厚表

3 结果与分析

对各两种工况下各不同管径管道应力计算结果汇总,结果表明在这两种工况下操作应力和二次应力的最大节点为140节点,其位置为弯头如图2所示,将此处作为对象研究管道的操作应力和二次应力。而一次应力最大节点为160节点,其位置为管道中部外部布置有滑动支架,其位置如图3所示。将此处作为对象研究管道的一次应力。将定压和定温两种工况下的应力计算结果分别进行分析如图4-9所示。

3.1 定压工况下管道的应力分析

3.1.1 定压工况下操作应力分析

由图4知在定压条件下(管道压力为2.5MPa),管道的操作应力随着管径的增大而增大。同时对比三条不同温度的应力曲线可以得出在不同温度水平下,由于管道直径的变化引起的操作应力的变化幅度不同。其中在较高温度下,随着管道管径的变化,管道的操作应力上升的更加明显。相比之下在10℃时,随着管径的变化,管道的操作应力仅有小幅上升。因此对于管径因素对管道操作应力的影响区域应在较高温度区域。由图4知对于同一管道管道温度和压力不变的条件下,随着管径的增大,管道操作应力的上升速率在减小。由图4可知对于同一材质管径的管道其操作应力随着温度的升高而升高。

管道的操作应力主要受自重应力载荷、温度应力载荷、压应力载荷影响。在工况一的条件下,管道的压力不变,所以管道的操作应力主要受自重应力载荷和温度应力载荷影响。而管道的管径的变化主要影响自重应力载荷、管道温度的变化主要影响温度应力载荷,两者的影响效果不同,在较低温度下,温度对操作应力的影响起主导作用。

图4 工况一管道操作应力和管径关系

3.1.2 定压工况下一次应力分析

一次应力是由于压力载荷和持续载荷作用的结果,所以对于同一管径管道,在压力不变的情况下,管道的一次应力与温度应力载荷无关。由图5可以看出管道的一次应力随着管径的增加呈减小趋势,但随着管径的增大一次应力增加的幅度越来越小,趋于恒定。

图5 工况一管道一次应力与管径关系

3.1.3 定压工况下二次应力分析

由图6可以看出在定压工况下管道的二次应力的变化情况与操作应力类似,都随管径的增加而增大,并且在较高温度下二次应力增长的更加显著。而对于同一管径的管道来说,温度的上升会使二次应力显著增大。管道的二次应力主要是由热胀冷缩和端点位移造成的。对于操作应力而言,其在较高温度区域受管径影响更大,在较低温度区域受管径影响很小,并且管道的一次应力与温度应力载荷无关,所以管道的二次应力随管径变化规律与操作应力类似。

图6 工况一二次应力与管径关系

3.2 定温工况下的管道应力分析

3.2.1 定温工况下操作应力分析

图7 工况二操作应力与管径关系

由图7可知,在温度不变的情况下(管道温度为25℃),管道的操作应力随着管径的增加呈上升趋势。当管径较小时,由管径增大引起的管道操作应力的增大幅度比管径较大时的幅度大。而对于同一管径的管道而言,在温度不变的情况下管道的压力越大,操作应力越大,并且在不同压力水平下,管道的操作应力随管径变化的规律类似。管道的操作应力主要受自重应力载荷、温度应力载荷、压应力载荷影响。在定温工况下,温度应力载荷保持不变,所以操作应力受自重应力载荷和压应力载荷影响。管径的增大会使自重应力载荷增大,而管道压力的增大使压应力载荷增大,两者共同影响管道的操作应力。

3.2.2 定温工况下一次应力分析

图8 工况二一次应力与管径关系

由图8可知,在温度不变的情况下(管道温度为25℃),管道的一次应力随着管径的增加在整体上呈减小的趋势。但是在管道压力为5Mpa时,管道的一次应力随着管径的增大先是略微增大,然后是显著减小,最后是区域稳定。而对于管道压力分别为1MPa和3MPa的管道而言,管道的一次应力一直随着管径的增大而减小。对于同一管道而言,在温度不变的情况下,管道压力越大其一次应力也越大。

3.2.3 定温工况下二次应力分析

由图9知管道的二次应力随着管径的增大而增大,并且呈较好的线性增长趋势。由于管道的二次应力反映的是管道受到热胀冷缩和端点位移时产生的位移,所以对于同一管道而言,在温度不变的情况下,压力的变化对二次应力的大小没有影响。

4 结论

通过运用应力分析软CAESARⅡ对某空调管道进行了应力分析,通过在定压和定温工况下改变管道的管径对管道的操作应力、一次应力和二次应力进行分析,得出如下结论：

图9 工况二二次应力与管径关系

(1)在定压和定温的两种工况下,管道的操作应力都随管径的增大而增大。在定压工况下,管道温度越高,操作应力增大的趋势更加明显,管道在低温时,操作应力变化幅度不大；

(2)在定压和定温的两种工况下,管道的一次应力随着管径的增加呈减小趋势。对于同一管径的管道的而言,温度恒定时,管道的压力越大一次应力越大；

(3)在定压和定温的两种工况下,管道的二次应力都随管径的增加而增大。对于定压工况而言在较高温度下二次应力增长的更加显著。而对于同一管径的管道来说,温度的上升会使二次应力显著增大。

因此,在设计高层建筑的空调管路时,需要考虑管道的温度、压力、以及所要承受的载荷来选择合适的材质管径的管道,同时需要合理的管道支吊架布置,以确保空调系统的安全可靠运行。