肖文宇

摘 要：管道的热分层计算通常采用通用软件 ANSYS 进行分析。由于 ANSYS 软件不具备按照规范对管道计算结果进行评定的功能，因此使用该程序进行后处理的工作比较烦琐。PIPESTRESS 程序是用于管道分析评定的专用程序。文中介绍了种基于PIPESTRESS的管道热分层计算的评估方法，然后对PIPESTRESS程序和 ANSYS 程序的计算结果进行了比较，验证了PIPESTRESS用于管道热分层计算的有效性和可靠性。对管道应力分析者采用PIPESTRESS软件进行管道热分层计算具有一定的借鉴意义。

关键词：热分层;管道评定;PIPESTRESS;ANSYS

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）10-0165-02

0 引言

热分层是由于在管道中相对滞止流体和来自其他泄漏源处一股缓慢流动的相对热或冷流体缺少混合产生的。在电站正常或异常工况下，部分管道存在热分层现象。在这些管道中来自冷段的流体，温度低，密度高，占据管道截面的下部，而来自热段的流体，温度高，密度低，占据管道截面的上部。因此，管道的上面比管道的下面的温度要高，膨胀得比较厉害。如果水平管道两端简支，会造成向上弯曲;如果水平管道一端固定，一端自由，会造成向下弯曲。这种现象可能会导致所在管道系统破裂，严重影响安全屏障的完整性。因此引起了包括美国核管会（NRC）在内的世界核电界的广泛关注。

在核电厂管道计算中需要考虑热分层载荷，应用通用有限元软件ANSYS直接加温度计算热分层载荷时，由于ANSYS软件不具备按照规范对管道计算结果进行评定的功能，因此使用该程序进行后处理的工作比较烦琐，工程应用较为复杂。PIPESTRESS程序是用于管道分析评定的专用程序，它可以按照ASME规范的要求对管道分析结果进行评定，从而减少管道评定的工作量，并便于进行管道布置方案的修改。所以需要建立一种基于PIPESTRESS的管道热分层计算评估方法。

本文建立了一种基于PIPESTRESS的管道热分层计算的评估方法，根据简支梁的弯曲理论，将温度载荷转化为弯矩施加在管道上，并将计算结果与有限元软件ANSYS的热分层计算结果对比，以验证这种计算方法对管道热分层计算的正确性。

1 管道热分层载荷的计算方法

1.1 PIPESTRESS通过弯矩间接加载

由ASME规范NB-3686[1]中简支梁的弯曲理论为基础，可以推导出由热分层产生的弯矩的计算公式，根据管道的实际布置和温度分布计算得到弯矩载荷并通过PIPESTRESS的MOMT卡，施加于管道计算模型，以考虑热分层对管道应力的影响。

1.2 ANSYS直接加载温度载荷

ANSYS的PIPE16和PIPE18单元可直接定义不同区域的温度，直接加载温度载荷。

2 计算方法的验证

热分层现象常发生在水平管段和倾斜角较小的倾斜管段，本文取直管单元、水平弯管单元和倾斜弯管单元这几种有代表性的模型分别采用PIPESTRESS[2]和ANSYS[3]软件计算热分层产生的应力结果，验证本文提出的弯矩加载方法的正确性。假设管道中段发生热分层，倾斜管的管道斜度取每1000mm倾斜120mm。管道参数表1所示，结果对比表2～表4所示。

根据上述对比验证的结果，本文提出的通过弯矩间接加载热分层载荷的方法与ANSYS计算结果吻合，适用于不同类型的管道。

3 结论

本文以简支梁的弯曲理论为基础，推导出由热分层产生的弯矩的计算公式，建立了一种基于PIPESTRESS的管道热分层计算评估方法。同时将直管、水平弯管和倾斜弯管热分层的计算结果与ANSYS计算结果对比，验证了这种计算方法对管道热分层计算的可靠性。为工程实践中快速评估管道热分层的影響提供了一种有效途径。

参考文献

[1] ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section II， Subsection NB， NC， ND[S]. 2007 Edition up to and including 2008 Addenda.

[2] LIUR， FUZW， LITP. Application of Peps in Stress Analysis of Nuclear Piping[J]. Journal of Mathematics and Physics， 2013（1）：57-61.

[3] 李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.