关于管道中膨胀弯管设计的几点认识

2006年用户年会论文关于管道中膨胀弯管设计的几点认识卓高柱，王帅，孔凡敬，吴会珍(济南锅炉集团锅炉技术中心，山东济南250023)[摘要]：本文从整体性观点出发，利用大型有限元分析软件ANSYS，对管道设计中膨胀弯管布置位置的系列分析研究，得出管道各有效参数随弯管布置位置的变化规律，从而为设计人员在确定弯管布置位置时提供了重要的参考依据；其次，通过对管道中膨胀弯管曲率半径的系列分析研究，得出管道各有效参数随弯管曲率半径变化的曲线图，通过对曲线图的分析得出结论，从而为设计人员更好地设计弯管的曲率半径提供方便。[关键词]：有限元分析；管道布置；弯管；推力；曲率半径；曲线图SomeUnderstandingonPipelineDesignZHUOGao-zhu，WANGShuai，KONGFan-jing，WUHui-zhen(TheTechnicalCenterOfJINANBOILERGROUPCO.,LTD，JINAN250023，China)[Abstract]：Thispaperembarksfromintegrityviews,UsingANSYSFEMtocarryontheanalysis.Wecangetsomeconclusionsasbellow.Thefirst,AfterresearchingthepositiontothePipelinelying,Wecanobtainschangeruleofpipeline’seffectiveparameterwhichchangesalongwithsyphon’sposition,Itthereforeprovidestheimportantbasisatthepositionofpipelinelyingforthedesigner;Thesecond,AfterresearchingthecurvatureradiusseriesofSyphon,Wecangetthecurvaturegraphofpipeline’seffectiveparameter,thatalongwiththecurvatureradiusofSyphon’schange,Itthereforeprovidesmoreconvenientfordesigner.[Keywords]：FiniteElementAnalysis;Pipelinelaying;Syphon;Thrust;CurvatureRadius;Graph膨胀弯管在管道的设计中起着非常重要的作用，它可以极大地削弱因管道膨胀等原因而产生的管道端部推力，从而很好的保护管道端部所连接的设备，避免重大事故的发生，因此对管道中膨胀弯管设计的研究是非常重要的。随着科学技术的飞速发展，在工程领域涌现出越来越多的先进的计算分析方法，有限元分析就是其中之一，它的广泛应用带动了各工程领域的迅速发展，创造了无穷的社会价值。本文就是以大型有限元分析软件ANSYS为平台，对管道中膨胀弯管的分布位置、弯管曲率半径进行系列化的计算分析，找出规律，得出结论。2006年用户年会论文1管道布置中弯管分布在不同位置下的分析比较1.1计算模型的主要尺寸结构参数：管道平均半径r=0.2m，管壁厚t=0.015m，选取管道长度距离为20m，其它参数如结构简图1所示，模型如图2所示。1.2材料特性材料弹性模量，泊松比PaE111007.2×=μ=0.3，热膨胀系数。16106−−×k1.3单元类型及边界约束条件计算模型采用ANSYS软件提供的SHELL63壳体单元，设置单元划分网格尺寸0.05m，采用映射网格模式对面进行网格划分。对管道右端部4条弧线施加Z方向的位移约束（UZ=0），对右端部管截面的圆弧线上的4个端点，上下两端点施加X方向的位移约束（UX=0），左右两点施加Y方向的位移约束(UY=0)；对管道左端部管截面圆弧线施加对称位移约束。图1管道模型简图图2管道模型图1.4荷载工况内压P=0.2MPa，温度升高tΔ=800C。1.5分析概要分别对L取2m，4m，6m，8m，10m，12m，14m，16m，18m时的九种情况进行计算分析，提取分析结果中的有效参数，包括膨胀弯管在温度和内压作用下的最大轴向应力SZ、最大等效应力SEQV，管道右端部的总推力FZ、弯矩MX、绘出L取不同值时和它对应的有效参数值曲线图，总结规律得出结论。1.6分析结果数据见表1表1分析结果数据2006年用户年会论文1.7分析结果曲线图图3应力极值与弯管位置对应关系曲线图图4右端部总推力FZ与弯管位置的对应关系2006年用户年会论文图5右端部绕X轴的弯矩与弯管位置对应关系2不同曲率半径的弯管的分析比较2.1计算模型的主要尺寸结构参数：管道平均半径r=0.2m，管壁厚t=0.015m，其它参数如结构简图6所示，模型如图7所示。材料特性参数、单元类型及边界约束条件、荷载工况均同上面1.分析中相同。图6图7弯管模型2.23.2分析概要本分析是以弯管曲率半径R为变量，其它量均不变，在符合要求范围内，对R分别进行取值计算分析，得出在不同曲率半径R下的各应力极值、右端部的推力FZ、Y方向的力FY及绕X轴的弯矩MX，利用计算出来的数据绘出其对应关系曲线图，研究曲线规律，得出结论。本分析中的R分别取0.3m，0.5m，1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m，8m，9m，10m,对这12种情况分别进行计算分析，提取有效数据（SZ、SEQV、FZ、FY、MX、）进行分析。2006年用户年会论文2.3分析结果数据表6结果数据表2.4分析结果曲线图图8不同曲率半径对应下的各应力极值曲线图9弯管右端部力与曲率半径的对应关系曲线2006年用户年会论文图10弯管右端部弯矩与曲率半径对应关系曲线3结论本文通过对管道布置中有无膨胀弯管、弯管布置的位置、弯管曲率半径的分析研究，得出一些重要的规律和结论，为管道的设计人员合理化设计管道提供了一定的理论依据。下面把上述分析结论归纳如下：（2）从曲线图3中可以看出弯管处各应力极值(SZ、SEQV)，随着L的增大而逐渐减小，当L=10m时（管道中间位置），其值达到最低线，而后又逐渐增大；从曲线图4可以看出管道右端部的总推力FZ先增大后减小，膨胀弯管布置在中间位置（即L=10m）时，总推力FZ最大；从图5知，管道右端部绕X轴的弯矩随着L的增大而增大。这些数据及其规律为设计人员在布置弯管时综合考虑各种情况提供了方便。（3）从上面2不同曲率半径的弯管的系列计算分析中得出：a.从表2和曲线图8中可以看出，各应力极值的走向是先减小而后平稳增加，到R=10m时，出现跳跃，增势明显。b.从表2和曲线图9、10中得知，弯管右端部的轴向力FZ不随曲率半径R的变化而变化，为一恒定值；FY、MX则随R的增大而平稳增大。c.管道设计人员在设计弯管时不能只考虑为减少弯管拐角处的应力，而一味的增大弯管的曲率半径，同时还要考虑曲率半径的增大导致弯管端部的力（FY、MX）也随着增大，应根据要求合理设计。参考文献[1]邢静忠，王永岗，陈晓霞编著.ANSYS7.0分析实例与工程应用.北京：机械工业出版社[2]王泽军编著.锅炉结构有限元分析.北京：化学工业出版社