管道熱分層計算評估方法研究

肖文宇

摘 要：管道的熱分層計算通常采用通用軟件 ANSYS 進行分析。由于 ANSYS 軟件不具備按照規范對管道計算結果進行評定的功能，因此使用該程序進行后處理的工作比較煩瑣。PIPESTRESS 程序是用于管道分析評定的專用程序。文中介紹了種基于PIPESTRESS的管道熱分層計算的評估方法，然后對PIPESTRESS程序和 ANSYS 程序的計算結果進行了比較，驗證了PIPESTRESS用于管道熱分層計算的有效性和可靠性。對管道應力分析者采用PIPESTRESS軟件進行管道熱分層計算具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：熱分層;管道評定;PIPESTRESS;ANSYS

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）10-0165-02

0 引言

熱分層是由于在管道中相對滯止流體和來自其他泄漏源處一股緩慢流動的相對熱或冷流體缺少混合產生的。在電站正常或異常工況下，部分管道存在熱分層現象。在這些管道中來自冷段的流體，溫度低，密度高，占據管道截面的下部，而來自熱段的流體，溫度高，密度低，占據管道截面的上部。因此，管道的上面比管道的下面的溫度要高，膨脹得比較厲害。如果水平管道兩端簡支，會造成向上彎曲;如果水平管道一端固定，一端自由，會造成向下彎曲。這種現象可能會導致所在管道系統破裂，嚴重影響安全屏障的完整性。因此引起了包括美國核管會（NRC）在內的世界核電界的廣泛關注。

在核電廠管道計算中需要考慮熱分層載荷，應用通用有限元軟件ANSYS直接加溫度計算熱分層載荷時，由于ANSYS軟件不具備按照規范對管道計算結果進行評定的功能，因此使用該程序進行后處理的工作比較煩瑣，工程應用較為復雜。PIPESTRESS程序是用于管道分析評定的專用程序，它可以按照ASME規范的要求對管道分析結果進行評定，從而減少管道評定的工作量，并便于進行管道布置方案的修改。所以需要建立一種基于PIPESTRESS的管道熱分層計算評估方法。

本文建立了一種基于PIPESTRESS的管道熱分層計算的評估方法，根據簡支梁的彎曲理論，將溫度載荷轉化為彎矩施加在管道上，并將計算結果與有限元軟件ANSYS的熱分層計算結果對比，以驗證這種計算方法對管道熱分層計算的正確性。

1 管道熱分層載荷的計算方法

1.1 PIPESTRESS通過彎矩間接加載

由ASME規范NB-3686[1]中簡支梁的彎曲理論為基礎，可以推導出由熱分層產生的彎矩的計算公式，根據管道的實際布置和溫度分布計算得到彎矩載荷并通過PIPESTRESS的MOMT卡，施加于管道計算模型，以考慮熱分層對管道應力的影響。

1.2 ANSYS直接加載溫度載荷

ANSYS的PIPE16和PIPE18單元可直接定義不同區域的溫度，直接加載溫度載荷。

2 計算方法的驗證

熱分層現象常發生在水平管段和傾斜角較小的傾斜管段，本文取直管單元、水平彎管單元和傾斜彎管單元這幾種有代表性的模型分別采用PIPESTRESS[2]和ANSYS[3]軟件計算熱分層產生的應力結果，驗證本文提出的彎矩加載方法的正確性。假設管道中段發生熱分層，傾斜管的管道斜度取每1000mm傾斜120mm。管道參數表1所示，結果對比表2～表4所示。

根據上述對比驗證的結果，本文提出的通過彎矩間接加載熱分層載荷的方法與ANSYS計算結果吻合，適用于不同類型的管道。

3 結論

本文以簡支梁的彎曲理論為基礎，推導出由熱分層產生的彎矩的計算公式，建立了一種基于PIPESTRESS的管道熱分層計算評估方法。同時將直管、水平彎管和傾斜彎管熱分層的計算結果與ANSYS計算結果對比，驗證了這種計算方法對管道熱分層計算的可靠性。為工程實踐中快速評估管道熱分層的影響提供了一種有效途徑。

參考文獻

[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有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.