Auto PSA在管道應力分析中的應用

梁小龍

摘 要：采用AutoPSA軟件對國內某大型鋁加工廠熱力站中的高溫高壓蒸汽管道實際運行狀況進行應力計算及分析，建立了有限元計算模型，研究了管道在自重、內壓和其他荷載下的一次應力和二次應力，判定了管道的安全性和合理性，設備能否承受管道的推力和力矩；計算出管段中出現的支吊架的相關參數，為實際工程中選擇支吊架的形式和型號提供了依據。

關鍵詞：有限元；壓力管道；應力分析

在當今工程設計中，對熱力管道進行應力分析是必不可少的工作。AutoPSA采用成熟可靠的有限元算法分析管道系統，提高了計算精度，采用微軟工業化開發計算VC++6.0，以大量的MFC類庫編程提高開發效率、運行速度和穩定性。文章采用AutoPSA軟件對實例工程中高溫高壓蒸汽管道進行了應力分析，研究了管道的一次應力和二次應力，判斷了管道在高溫高壓工況下的經濟性、安全性和合理性，以及管道的由于變形等產生的推力和力矩對設備的影響。

1 管道荷載的確定

1.1 荷載分類

管道承受的荷載可分為以下幾類：

（1）壓力荷載；（2）端點和熱脹位移；（3）持續外載；（4）偶然荷載。

1.2 荷載工況

管道應力計算必須考慮實際運行工況。單元體積為實際尺寸，重力荷載為單元密度、重力加速度和體積三者之積，正向為豎直向下。

2 管道有關參數

文章根據國內某大型鋁加工廠熱力站高溫高壓蒸汽管道作為研究對象，采用AutoPSA軟件進行管道應力分析，確定了蒸汽管道的材質、規格、介質常數等。管道安裝溫度為20℃，管材為20號鋼，計算壓力為1.1MPa，計算溫度為350℃，管道型號有兩種：D480×12mm和D530×14mm，其余參數可查相關書籍。

3 計算模型

3.1 模型的建立和單元劃分

3.1.1 單元模型

模擬計算管道時采用空間梁管單元力學模型，能夠求得梁的六個內力分量，可以進一步計算局部管道。管道單元的劃分節點主要選取在管系的危險點處，根據管道實際尺寸建立計算模型，將管道的節點編號和位置標注在管線圖中。文章研究的對象為實際工程中的高溫高壓蒸汽管道，管道軸測圖和模型圖詳見圖1和圖2。

3.1.2 管道附件的簡化

（1）閥門和法蘭

對管道中的閥門、法蘭采用簡化處理，根據實際情況將閥門、法蘭簡化成相應直徑的管道，并附加相應的集中荷載。

（2）彎頭

采用分段模擬的方法對計算管道中的彎頭、三通、變徑管進行局部細分，將微小段近似看成直線段進行模擬，以此實現足夠精度的要求。

圖2 蒸汽管道模型

3.2 邊界條件的確定

為充分體現管道實際的運行狀況和走向，并根據實際情況在不同部位采用了滑動支架、彈簧支吊架和固定支架等三種情況。固定支架處三個方向的轉角和位移均受到約束，設為0。滑動支架處約束方向與管道軸線垂直向下設定為0，其余方向及三個轉角不受約束。彈簧支吊架產生支撐方向的位移，其余方向及轉角不受約束。在AutoPSA中，表達位移和轉角的分別為X、Y、Z、RX、RY、RZ。

4 管道應力計算結果分析

4.1 管道應力判定

根據《火力發電廠汽水管道應力計算計算規定》（SDGJ6-2006）和《火力發電廠汽水管道設計技術規定》（DL/T5054-1996）的規定，管道應力計算滿足以下條件：

一次應力：

二次應力：

式中[？啄]t-設計溫度t下的基本許用應力；[？啄]20-20℃的基本許用應力。

4.2 管道模擬計算結果

AutoPSA計算結果給出了管道中各節點、起點、終點、危險點處的應力計算值，管端推力和冷（熱）推力，管道中出現的各種支架的冷位移、熱位移、安裝荷載、工作荷載和彈簧支架的彈簧型號。從計算結果中可以看出蒸汽管道的位移及應力等分布情況，其中管道最大應力及對應的節點號見表1。

從表1中可以看出，管道最大應力處主要出現在管道彎頭、變徑管及固定支架處，管道最大應力處均小于管材在工作溫度下的許用應力。根據應力判定方法，滿足相應規范對應力的要求。蒸汽管道根據實際情況設置了固定支架、滑動支架和彈簧支吊架，AutoPSA計算出了各支吊架承受的荷載和位移，詳見表2。

從表中可以看出，滑動支架沒有冷位移，只有熱位移且安裝荷重和工作荷重數值、方向上均相同；彈簧支吊架不僅有冷、熱位移，安裝荷重和工作荷重在數值上并不相同，在實際工程中，建設單位可以根據AutoPSA軟件計算出的數據選擇彈簧支吊架的型號。

5 結束語

5.1 在實際工程中可以現場實際測量計算管道尺寸來建立計算模型和設置邊界條件，提高軟件計算結果的可靠性和準確性。

5.2 AutoPSA軟件模擬計算蒸汽管道各處應力，給出了在管段中最大應力點，并根據相關規范判定了最大應力點處的安全性。

5.3 AutoPSA軟件對計算管段中出現的滑動支架、固定支架和彈簧支吊架給出了安裝荷重、工作荷重和位移，在實際工程中為支架的選型提供了準確的參數，解決了實際問題。

參考文獻

[1]楊鐵成，胡明東，倪向貴.高溫高壓工藝管道應力分析計算[J].壓力容器，2005（6）.

[2]趙艷艷.基于ANSYS的高溫高壓復合材料管道的應力分析[J].科技信息，2010（22）.

[3]周小兵，蔡曉峰，陽東升，等.彈簧支吊架在管道布置和應力分析中的相關注意事項[J].化肥設計，2010（6）：29-31.

[4]唐永進.壓力管道應力分析的內容及特點[J].石油化工設計，2008（2）：20-24.

[5]王兵.熱電站中壓中溫蒸汽管道應力的分析[J].江蘇冶金，2004，32（1）.endprint

摘 要：采用AutoPSA軟件對國內某大型鋁加工廠熱力站中的高溫高壓蒸汽管道實際運行狀況進行應力計算及分析，建立了有限元計算模型，研究了管道在自重、內壓和其他荷載下的一次應力和二次應力，判定了管道的安全性和合理性，設備能否承受管道的推力和力矩；計算出管段中出現的支吊架的相關參數，為實際工程中選擇支吊架的形式和型號提供了依據。

關鍵詞：有限元；壓力管道；應力分析

在當今工程設計中，對熱力管道進行應力分析是必不可少的工作。AutoPSA采用成熟可靠的有限元算法分析管道系統，提高了計算精度，采用微軟工業化開發計算VC++6.0，以大量的MFC類庫編程提高開發效率、運行速度和穩定性。文章采用AutoPSA軟件對實例工程中高溫高壓蒸汽管道進行了應力分析，研究了管道的一次應力和二次應力，判斷了管道在高溫高壓工況下的經濟性、安全性和合理性，以及管道的由于變形等產生的推力和力矩對設備的影響。

1 管道荷載的確定

1.1 荷載分類

管道承受的荷載可分為以下幾類：

（1）壓力荷載；（2）端點和熱脹位移；（3）持續外載；（4）偶然荷載。

1.2 荷載工況

管道應力計算必須考慮實際運行工況。單元體積為實際尺寸，重力荷載為單元密度、重力加速度和體積三者之積，正向為豎直向下。

2 管道有關參數

文章根據國內某大型鋁加工廠熱力站高溫高壓蒸汽管道作為研究對象，采用AutoPSA軟件進行管道應力分析，確定了蒸汽管道的材質、規格、介質常數等。管道安裝溫度為20℃，管材為20號鋼，計算壓力為1.1MPa，計算溫度為350℃，管道型號有兩種：D480×12mm和D530×14mm，其余參數可查相關書籍。

3 計算模型

3.1 模型的建立和單元劃分

3.1.1 單元模型

模擬計算管道時采用空間梁管單元力學模型，能夠求得梁的六個內力分量，可以進一步計算局部管道。管道單元的劃分節點主要選取在管系的危險點處，根據管道實際尺寸建立計算模型，將管道的節點編號和位置標注在管線圖中。文章研究的對象為實際工程中的高溫高壓蒸汽管道，管道軸測圖和模型圖詳見圖1和圖2。

3.1.2 管道附件的簡化

（1）閥門和法蘭

對管道中的閥門、法蘭采用簡化處理，根據實際情況將閥門、法蘭簡化成相應直徑的管道，并附加相應的集中荷載。

（2）彎頭

采用分段模擬的方法對計算管道中的彎頭、三通、變徑管進行局部細分，將微小段近似看成直線段進行模擬，以此實現足夠精度的要求。

圖2 蒸汽管道模型

3.2 邊界條件的確定

為充分體現管道實際的運行狀況和走向，并根據實際情況在不同部位采用了滑動支架、彈簧支吊架和固定支架等三種情況。固定支架處三個方向的轉角和位移均受到約束，設為0。滑動支架處約束方向與管道軸線垂直向下設定為0，其余方向及三個轉角不受約束。彈簧支吊架產生支撐方向的位移，其余方向及轉角不受約束。在AutoPSA中，表達位移和轉角的分別為X、Y、Z、RX、RY、RZ。

4 管道應力計算結果分析

4.1 管道應力判定

根據《火力發電廠汽水管道應力計算計算規定》（SDGJ6-2006）和《火力發電廠汽水管道設計技術規定》（DL/T5054-1996）的規定，管道應力計算滿足以下條件：

一次應力：

二次應力：

式中[？啄]t-設計溫度t下的基本許用應力；[？啄]20-20℃的基本許用應力。

4.2 管道模擬計算結果

AutoPSA計算結果給出了管道中各節點、起點、終點、危險點處的應力計算值，管端推力和冷（熱）推力，管道中出現的各種支架的冷位移、熱位移、安裝荷載、工作荷載和彈簧支架的彈簧型號。從計算結果中可以看出蒸汽管道的位移及應力等分布情況，其中管道最大應力及對應的節點號見表1。

從表1中可以看出，管道最大應力處主要出現在管道彎頭、變徑管及固定支架處，管道最大應力處均小于管材在工作溫度下的許用應力。根據應力判定方法，滿足相應規范對應力的要求。蒸汽管道根據實際情況設置了固定支架、滑動支架和彈簧支吊架，AutoPSA計算出了各支吊架承受的荷載和位移，詳見表2。

從表中可以看出，滑動支架沒有冷位移，只有熱位移且安裝荷重和工作荷重數值、方向上均相同；彈簧支吊架不僅有冷、熱位移，安裝荷重和工作荷重在數值上并不相同，在實際工程中，建設單位可以根據AutoPSA軟件計算出的數據選擇彈簧支吊架的型號。

5 結束語

5.1 在實際工程中可以現場實際測量計算管道尺寸來建立計算模型和設置邊界條件，提高軟件計算結果的可靠性和準確性。

5.2 AutoPSA軟件模擬計算蒸汽管道各處應力，給出了在管段中最大應力點，并根據相關規范判定了最大應力點處的安全性。

5.3 AutoPSA軟件對計算管段中出現的滑動支架、固定支架和彈簧支吊架給出了安裝荷重、工作荷重和位移，在實際工程中為支架的選型提供了準確的參數，解決了實際問題。

參考文獻

[1]楊鐵成，胡明東，倪向貴.高溫高壓工藝管道應力分析計算[J].壓力容器，2005（6）.

[2]趙艷艷.基于ANSYS的高溫高壓復合材料管道的應力分析[J].科技信息，2010（22）.

[3]周小兵，蔡曉峰，陽東升，等.彈簧支吊架在管道布置和應力分析中的相關注意事項[J].化肥設計，2010（6）：29-31.

[4]唐永進.壓力管道應力分析的內容及特點[J].石油化工設計，2008（2）：20-24.

[5]王兵.熱電站中壓中溫蒸汽管道應力的分析[J].江蘇冶金，2004，32（1）.endprint

摘 要：采用AutoPSA軟件對國內某大型鋁加工廠熱力站中的高溫高壓蒸汽管道實際運行狀況進行應力計算及分析，建立了有限元計算模型，研究了管道在自重、內壓和其他荷載下的一次應力和二次應力，判定了管道的安全性和合理性，設備能否承受管道的推力和力矩；計算出管段中出現的支吊架的相關參數，為實際工程中選擇支吊架的形式和型號提供了依據。

關鍵詞：有限元；壓力管道；應力分析

在當今工程設計中，對熱力管道進行應力分析是必不可少的工作。AutoPSA采用成熟可靠的有限元算法分析管道系統，提高了計算精度，采用微軟工業化開發計算VC++6.0，以大量的MFC類庫編程提高開發效率、運行速度和穩定性。文章采用AutoPSA軟件對實例工程中高溫高壓蒸汽管道進行了應力分析，研究了管道的一次應力和二次應力，判斷了管道在高溫高壓工況下的經濟性、安全性和合理性，以及管道的由于變形等產生的推力和力矩對設備的影響。

1 管道荷載的確定

1.1 荷載分類

管道承受的荷載可分為以下幾類：

（1）壓力荷載；（2）端點和熱脹位移；（3）持續外載；（4）偶然荷載。

1.2 荷載工況

管道應力計算必須考慮實際運行工況。單元體積為實際尺寸，重力荷載為單元密度、重力加速度和體積三者之積，正向為豎直向下。

2 管道有關參數

文章根據國內某大型鋁加工廠熱力站高溫高壓蒸汽管道作為研究對象，采用AutoPSA軟件進行管道應力分析，確定了蒸汽管道的材質、規格、介質常數等。管道安裝溫度為20℃，管材為20號鋼，計算壓力為1.1MPa，計算溫度為350℃，管道型號有兩種：D480×12mm和D530×14mm，其余參數可查相關書籍。

3 計算模型

3.1 模型的建立和單元劃分

3.1.1 單元模型

模擬計算管道時采用空間梁管單元力學模型，能夠求得梁的六個內力分量，可以進一步計算局部管道。管道單元的劃分節點主要選取在管系的危險點處，根據管道實際尺寸建立計算模型，將管道的節點編號和位置標注在管線圖中。文章研究的對象為實際工程中的高溫高壓蒸汽管道，管道軸測圖和模型圖詳見圖1和圖2。

3.1.2 管道附件的簡化

（1）閥門和法蘭

對管道中的閥門、法蘭采用簡化處理，根據實際情況將閥門、法蘭簡化成相應直徑的管道，并附加相應的集中荷載。

（2）彎頭

采用分段模擬的方法對計算管道中的彎頭、三通、變徑管進行局部細分，將微小段近似看成直線段進行模擬，以此實現足夠精度的要求。

圖2 蒸汽管道模型

3.2 邊界條件的確定

為充分體現管道實際的運行狀況和走向，并根據實際情況在不同部位采用了滑動支架、彈簧支吊架和固定支架等三種情況。固定支架處三個方向的轉角和位移均受到約束，設為0。滑動支架處約束方向與管道軸線垂直向下設定為0，其余方向及三個轉角不受約束。彈簧支吊架產生支撐方向的位移，其余方向及轉角不受約束。在AutoPSA中，表達位移和轉角的分別為X、Y、Z、RX、RY、RZ。

4 管道應力計算結果分析

4.1 管道應力判定

根據《火力發電廠汽水管道應力計算計算規定》（SDGJ6-2006）和《火力發電廠汽水管道設計技術規定》（DL/T5054-1996）的規定，管道應力計算滿足以下條件：

一次應力：

二次應力：

式中[？啄]t-設計溫度t下的基本許用應力；[？啄]20-20℃的基本許用應力。

4.2 管道模擬計算結果

AutoPSA計算結果給出了管道中各節點、起點、終點、危險點處的應力計算值，管端推力和冷（熱）推力，管道中出現的各種支架的冷位移、熱位移、安裝荷載、工作荷載和彈簧支架的彈簧型號。從計算結果中可以看出蒸汽管道的位移及應力等分布情況，其中管道最大應力及對應的節點號見表1。

從表1中可以看出，管道最大應力處主要出現在管道彎頭、變徑管及固定支架處，管道最大應力處均小于管材在工作溫度下的許用應力。根據應力判定方法，滿足相應規范對應力的要求。蒸汽管道根據實際情況設置了固定支架、滑動支架和彈簧支吊架，AutoPSA計算出了各支吊架承受的荷載和位移，詳見表2。

從表中可以看出，滑動支架沒有冷位移，只有熱位移且安裝荷重和工作荷重數值、方向上均相同；彈簧支吊架不僅有冷、熱位移，安裝荷重和工作荷重在數值上并不相同，在實際工程中，建設單位可以根據AutoPSA軟件計算出的數據選擇彈簧支吊架的型號。

5 結束語

5.1 在實際工程中可以現場實際測量計算管道尺寸來建立計算模型和設置邊界條件，提高軟件計算結果的可靠性和準確性。

5.2 AutoPSA軟件模擬計算蒸汽管道各處應力，給出了在管段中最大應力點，并根據相關規范判定了最大應力點處的安全性。

5.3 AutoPSA軟件對計算管段中出現的滑動支架、固定支架和彈簧支吊架給出了安裝荷重、工作荷重和位移，在實際工程中為支架的選型提供了準確的參數，解決了實際問題。

參考文獻

[1]楊鐵成，胡明東，倪向貴.高溫高壓工藝管道應力分析計算[J].壓力容器，2005（6）.

[2]趙艷艷.基于ANSYS的高溫高壓復合材料管道的應力分析[J].科技信息，2010（22）.

[3]周小兵，蔡曉峰，陽東升，等.彈簧支吊架在管道布置和應力分析中的相關注意事項[J].化肥設計，2010（6）：29-31.

[4]唐永進.壓力管道應力分析的內容及特點[J].石油化工設計，2008（2）：20-24.

[5]王兵.熱電站中壓中溫蒸汽管道應力的分析[J].江蘇冶金，2004，32（1）.endprint