模態分析在管道應力模型校核中的應用

楊志堅 施少波

摘? 要：文章介紹了將模態分析應用于管道應力計算模型校核的一種新方法。通過對示例管道模型的校核結果表明模態分析可校核出管道應力模型的錯誤，保證了管道應力分析結果的準確性。

關鍵詞：管道應力;模態分析;模型校核

中圖分類號：TQ050.2? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）14-0170-02

Abstract： In this paper， a new method of applying modal analysis to the verification of pipeline stress calculation model is introduced. The verification results of the example pipeline model show that the modal analysis can check the errors of the pipeline stress model and ensure the accuracy of the pipeline stress analysis results.

Keywords： pipeline stress; modal analysis; model checking

引言

隨著計算機輔助設計的普及化，越來越多的設計院所搭建了三維管道設計平臺，將三維管道設計軟件、管道應力分析軟件有機集成，并且開發了相應的接口軟件，使得三維管道設計軟件中所建立的三維模型可直接導入管道應力分析軟件中進行計算分析，例如UE-PSI（長沙優易軟件）、eZPDMS2CII（北京達美盛軟件）均可實現三維管道設計軟件PDMS模型到管道應力分析CAESAR II的單向導入而三維管道設計軟件CADWORX與CAESAR II由于均由海克斯康公司開發，更實現了兩個軟件間的無縫雙向導入;由于相應的接口軟件省去了管道應力分析軟件的建模過程，大大節省了管道計算分析工作所需時間，極大地提高了工作效率。但是由于軟件是一個不斷完善的產品，現階段三維管道設計軟件模型導入到管道應力分析中都存在一些錯誤，導致直接導出的模型有錯誤不能計算或者計算不準確，需要使用者對模型進行校對修正后才能得到正確可靠的結果。

1 管道模態分析的應用

1.1 管道模態分析的常規應用

管道模態分析作為一種管道動態分析技術，通常用于以下分析：

（1）作為管道振動治理的輔助手段[3]管道模態分析可以獲得管道系統的固有特性（頻率和振型），管道振動治理只需使得激振頻率避開管道系統最重要的前幾階固有頻率，即可以減緩管道振動。

（2）作為管道其它動態分析技術的前提[2]管道模態分析是管道其它動態分析技術（諧波分析、頻譜分析等）的前提。

1.2 管道模態分析用于校核管道應力模型

管道應力分析通常需要將管道系統與周邊環境剝離開來，建立可以用來計算的數學模型。管道系統的邊界往往是接設備點及自由端。接設備點常用固定點（常溫設備）以及帶熱脹位移的固定點（非常溫設備）進行模擬，而自由端則往往模擬成6個方向均無約束的端點。除此之外，整個管道系統不同管系之間都是通過三通、四通等管部件連接起來的。

管道模態分析可以獲得管道系統的固有特性（頻率和振型），通過對模態振型的分析可以來校核管道的邊界正確性與否。

2 實例驗證

某試驗臺架由一回路系統、二回路系統和各種輔助系統構成，其高加蒸汽系統材料采用20G，介質為過熱蒸汽，設計壓力為350℃，設計壓力為9MPa。運用ASME B31.3-2014[1]規范對其相關管線在承受自重、內壓、溫度等載荷作用下的一、二次應力進行評定。由三維管道設計軟件CADWORX建模后通過接口直接導至CAESAR II中進行計算，導入后的管道應力計算模型如圖1所示。

2.1 管道應力模型（直接導出模型）

如果不對直接導出模型進行詳細校核，CAESAR II自檢無致命錯誤，可以進行計算，其靜態分析得到的一、二次應力的計算結果分別為75.6%，60.4%，應力合格，如表2所示。對直接導出模型進行模態分析得到管道前5階模態的頻率如表1所示。

通過對模態分析振型結果進行分析對管道應力模型邊界進行校核。其中第4階頻率2.134所展現出來的振型如圖2所示，其與真實設計不相符合，因為此處設計采用三通，不應該出現支管脫離主管自由擺動的情況。

2.2 管道應力模型（直接導出模型修正后）

經過校核，此處錯誤是由于技術人員在CAWORX中管道建模時疏忽所致，目視檢查模型似乎管道的主管及支管已由三通連接在一起，而實際上并未連接。而此種與實際設計不符的錯誤，CAESAR II計算自檢不會報錯。在CAESAR II中將脫開的節點改為三通連接節點將主管及支管連接在一起就能更正此類錯誤，對修正后的直接導出模型進行模態分析得到管道前5階模態的頻率如表1所示，模型修正后，原有不正確的第4階頻率2.134已經消失。

對修正后的直接導出模型進行靜態分析得到的一、二次應力的計算結果分別為75.9%，114.4%，如表2所示，二次應力超標，后期需要采取相應措施對管道進行改造以滿足應力要求。從表2可以看出，在其它所有參數（溫度、壓力、材料等）均一致的情況下，管道應力模型的邊界條件對應力結果有著重大的影響，由三維管道軟件直接導出的管道應力模型如果不經過認真校核并修正，將會出現應力分析結果虛假合格，而實際超標的情況，如果誤應用于實際工程將嚴重影響到管道系統的長期、安全穩定運行。

3 結論

本文將模態分析應用于管道應力計算模型的校核中。通過對模態振型的分析可校核出管道應力模型中的邊界錯誤，從而避免了計算模型與實際設計不符的情況，保證了管道應力計算結果的準確性。

參考文獻：

[1]ASME B31.3-2014， Process Piping， The American Society of Mechanical Engineers[S].

[2]CAESAR II User Manual， 2017.

[3]陳盛廣，王軍民，陳福江，等.模態分析技術在主蒸汽管道振動治理中的應用[J].第九屆電站金屬材料學術年會，2011：540-543.