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)的一個管道應(yīng)力分析單元為例，以管道應(yīng)力計算的專業(yè)軟件為平臺，采用有限元方法進行數(shù)值模擬計算，對復(fù)雜管道系統(tǒng)中管道支吊架進行了布置設(shè)計。
計算模型
計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，總長度約25m，保溫層的線密度為0．317N／mm；管內(nèi)流體均為水，計算溫度90℃，壓力為4bar，抗地震等級為2級。管道系統(tǒng)的三維模型如圖l所示。計算的有限元模型見圖2，共劃分134個單元，節(jié)點數(shù)為135。
計算結(jié)果與分析
通過數(shù)值模擬計算，設(shè)計結(jié)果見表2～5和圖3。該模型中管道支吊架布置設(shè)計的難點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)力危險點。另一方面，由于大管道的豎直段較長，增加了考慮重力和地震載荷時的設(shè)計困難。以上兩個方面是在設(shè)計中重點關(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)，其位置需要在計算中不斷調(diào)整，其余幾個LG類型支架的位置都可以直接確定。確定以上支架以后進行計算，輸出圖3中編號為510與l4處的位移，計算結(jié)果見表2，3，同時，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)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，沒有達(dá)到設(shè)計目的，需要設(shè)計其它支架。管道支吊架由于支架3承受的重力載荷太大，需要在編號5的位置設(shè)計一個支架，為了解決重力和熱脹的矛盾，將支架5設(shè)計成彈簧吊架。分析表2的計算結(jié)果，支架6設(shè)計為軸向和橫向約束，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)計為橫向約束；支架9處的水平熱脹位移較大，設(shè)計為承重支架；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)計為軸約束和豎直約束的支架。支架6～10和14的設(shè)計，很好地解決了大管道重力、熱脹和地震載荷之間的矛盾。計算的應(yīng)力比值和管道支吊架反力都滿足相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，達(dá)到了設(shè)計目的，見表4，5。
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