管道应力分析程序使用说明.docx
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管道应力分析程序使用说明
管道应力分析程序(GLIF)使用说明
第一章概述
本程序吸收了国内管道应力计算程序和美国2010管道应力计算程序的优点,采用结构程序设计方法,开发的符合《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定(SDGJ6-90)》的程序。
11功能
程序计及了内压、自重、外载、设备接口附加位移、冷紧、安全阀排放产生的载荷、以及风载、静力地震载荷等,既能对持续荷载,又能对临时荷载、偶然荷载进行分析计算。
程序可对正常运行条件下的热状态、冷状态,由热至冷及由冷至热状态进行计算。
其中对冷状态考虑了管道运行初期和应变达到自均衡后两种情况。
程序可对水压试验工况进行分析计算。
程序可对异常运行条件下的安全阀排放荷载、风载、地震荷载的静力分析计算。
本程序管道结构分析和应力验算更趋于精细和合理,提高了管道投资的经济性和运行的安全性。
12特点
程序的编制,按功能采用模块型结构,使其可读性和可维护性好。
尽量用标准语言而避免采用依赖于机型和硬件的特殊语句,使程序可移植性好。
程序功能强,使用简便,程序对管道的结构没有限制,按管道的设计模型组织数据文件,为CAD绘图创造了良好条件。
输入灵活易学,输出集中简明。
输入数据、输出成果的单位可分别选取工程制和法定单位制。
程序应力验算符合SDGJ6-90标准,为了使用户计算方便、便于掌握程序按照定工况进行组织,可自动检查出输入数据的错误。
减少对错误题目进行运算的可能性,节省时间和费用。
13计算内容
a.管道在工作状态下,由持续荷载(即内压、自重等)作用下产生的应力进行验算,计算持续荷载对设备或端点的推力。
b.管道在运行初期工作状态下,计算管道约束装置的荷载及管道对设备(或端点)的推力。
考虑自重、热膨胀、有效冷紧和端点附加位移的影响。
c.管道应变自均衡后在冷状态下,计算管道刚性约束装置的荷载及管道对设备(或端点)的推力。
d.管道由冷状态到工作状态的热位移计算,按管道沿坐标轴的全补偿值和钢材在20℃时的弹性模量计算,并考虑弹簧附加力的影响。
e.管道热膨胀应力范围的验算。
f.管道在运行初期冷状态下,计算管道约束装置的荷载及对设备(或端点)的推力。
g.管道由于冷紧和弹簧附加力作用下的冷位移的计算,以其作为管道约束装置安装调整的一个依据。
h.根据各弹簧约束点的热位移和分配荷载选择弹簧,并给出弹簧的绝对压缩值。
i.对于弹性约束可改变分配荷载。
j.(关于波形补偿器在管系中参与计算的应用。
)
k.倾斜管上可设置导向约束装置。
l.直元件可给定单元坐标系下的刚度矩阵。
m.对于弹性约束点可给定弹簧约束装置的型式(含弹簧号、串联数、约束方向)及弹簧的绝对压缩值。
n.持续荷载、临时荷载联合作用下产生的应力进行验算。
o.持续荷载、临时荷载联合作用下,计算管道约束装置的荷载及对设备(或端点)的推力。
p.持续荷载、偶然荷载联合作用下产生的应力进行验算。
q.持续荷载、偶然荷载联合作用下,计算管道约束装置的荷载及对设备(或端点)的推力。
r.弹性约束装置,部分刚性约束装置结构荷载参考值的计算。
14适用范围
本程序适用于低碳钢、低合金钢和高铬钢为管材的火力发电厂汽水管道的强度计算。
本程序所计算的管道系统限于在线弹性和小变形范围内。
不限制管道的形状,可计算单分支、树形多分支和环形结构。
管系端点可为自由点、约束点(部分约束或全部约束)、附加位移点。
管系的起始点必须为固定端点。
对于管系中的刚性约束,可允许或不允许在其约束方向有一定的位移或转角。
管道计算模型数据应控制在下列范围内:
1.计算工况<=10;
2.弹性支吊架给定荷载点数<400;
3.单元数<1000;
4.三通数<50;
5.已知位移端点数<50;
6.冷紧点数<50;
7.校核坐标点数<50;
8.外部荷载点数<50;
9.给定位移点数<50;
10.给定荷载弹性约束点数<50。
15基本假定
●完全弹性假定,认为管系完全由弹性材料组成,服从虎克定律。
●连续性假定,认为管道材料由连续介质组成,材料的物理量,能够用位移坐标的连续函数来表示。
●均匀性假定,认为整个材料具有相同的弹性性质。
●多向同性假定,认为材料内任意一点的弹性性质在各个方向都是相同的。
●小变形假定,认为管道在外载作用下而产生的变形,与管道尺寸规格相比是微小的。
在进行管道静力计算时,管道材料应符合上述基本假定。
16程序定义
i.一般定义
力:
广义力(力向量、力矩向量);
位移:
广义位移(线位移、角位移);
数据项:
由连续的字母数字组成;
记录:
由一行若干个数据项组成;
文件:
若干个记录的集合。
ii.荷载定义
持续荷载:
由压力、自重(管道、零部件、阀件、保温结构等引起)的荷载。
临时荷载:
水压试验时的水重荷载。
偶然荷载:
安全阀排放荷载、风荷载、静力地震荷载、汽锤和水锤荷载等。
iii.结构定义
单元:
独立填写结构尺寸的元件(直元件、弯元件、阀门元件等)。
端点:
管系内只与一个单元相接的点。
固定点:
管系中由中间固定装置限制六个方向自由度的点。
节点:
单元与单元的交接点。
连接点:
三个或三个以上元件的交接点。
约束点:
管系中装有约束装置的节点。
管段:
由计算者编号的节点间的单元组成。
先编号点为其始端,后编号点为其末端。
分支:
端点与连接点之间,连接点与连接点之间,连接点与固定点之间,固定点与固定点之间,固定点与端点之间的管道单元组成,可能为一个单元或多个单元组成。
管系:
统一进行结构分析计算的分支的集合,可由一个分支或多个分支组成。
尺寸标法:
尺寸标法有两种:
一种标法是直单元长度不含弯单元弯曲半径(见图1);另一种标法是直单元长度包含弯单元弯曲半径(见图2)。
iv.坐标定义
总体坐标系:
管系中所有单元都遵守的统一坐标。
坐标按照右手定则确定X、Y、Z三个方向的顺序。
单元坐标系:
只针对单元本身的坐标系。
设管系的总体坐标系为XYZ,单元坐标系为X1Y1Z1,与管道走向相同。
17其他辅助工具软件
本软件在电力系统应用较广,各院使用人员为本软件配套了一些工具软件,使其应用更加灵活,形成了一个完善体系,下面简单列举这些软件:
1.材料统计
该程序是江苏院编制的,主要功能是交互式统计材料,也可以读取本程序的原始数据文件进行材料统计并生成报表。
2.数据检查u
该程序是广东院开发编制的,对原始数据进行减错,该软件能够检查出大多数数据错误,为用户创造了良好的应用条件。
3.管道及支吊架一体设计软件包
该软件是由东北院机务处张越开发的,其能够由本软件的原始数据生成立体图,也可以由本软件的分析结果文件生成立体图、平断面图、支吊架图,并有交互式修改功能和相应的表格(以AutoCAD为支撑)。
4.管道设计软件
该软件是由华北院,与专业软件公司联合开发的。
能进行三维管道设计,并可以和其软件包中其他专业软件建立模型合并(如土建结构、设备等),进行碰撞检查,与本计算软件有输入输出接口,实现了设计计算一体化(既可以由计算产生图形,也可以由图形生成计算),具有从模型生成ISO图,平面图的功能。
具有进行材料统计并生成报表的功能。
(以MICROSTATION为支撑)。
5.输出数据处理
该软件是东北院开发的,可由本软件生成辅助输出文件进行数据处理,可进行查询(可查询某工况下力、位移、应力、推力等)、检索(检索支吊点最大应力、反力、位移等),计算(可计算固定支吊架的结构荷载,计算最小保证坡度,偏装等),报警(向上的支反力、弹性支吊架位移很小、位移尺寸大等),报表等功能。
6.输入输出数据处理
该软件是江苏院开发的,可辅助用户方便地生成原始数据,并可以由本软件生成辅助输出文件,进行数据处理。
可进行查询(可查询某工况下力、位移、应力、推力等)、检索(检索支吊点最大应力、反力、位移等),计算(可计算固定支吊架的结构荷载,计算最小保证坡度,偏装等),报警(向上的支反力、弹性支吊架位移很小、位移尺寸大等),报表等功能。
以上软件都可以在微机上运行。
第二章程序工况说明
本程序按固定的十个工况进行分析,按不同条件分别进行组合,由于工况较多,用户在使用前有必要搞清工况的计算内容。
下面对不同工况进行必要的说明:
工况1:
模拟管道运行状态,对选定的支吊架分配承重荷载,并进行一次应力验算;其前提条件是热态吊零,为分配承重荷载,将弹性支吊架刚度置为刚性支吊架刚度。
计算内容:
分配承重荷载、计算一次应力、计算分配的承重荷载下的端点推力。
工况2:
模拟管道运行初期由冷到热的变化过程,此时将弹性支吊架的刚度置为零,不计自重,计入端点附加位移和2/3有效冷紧,计算结果叠加工况1分配的荷载。
计算内容:
支吊架的工作荷载,端点的初热推力。
工况3:
管道工作状态下由热到冷的过程,进行反复地弹簧选择计算,弹性支吊架的刚度置为选定的弹簧刚度,不计自重,计入端点的附加位移,进行二次应力验算,计算出的位移经反向输出即为热位移。
计算内容:
选弹簧、热位移、松冷推力、固定支架松冷荷载(发生松弛的管道才有)。
工况4:
模拟运行初期的冷态工况,此时将弹性支吊架的刚度置为零,计入弹簧附加力,不计自重,计入冷紧,计算结果叠加工况1的分配荷载。
计算内容:
冷位移、初冷推力、支吊架的安装荷载和结构荷载。
工况5:
弹性支吊架的刚度置为选出的弹簧刚度,不计自重,计入偶然荷载作用计算的荷载、推力,与工况2计算的荷载、推力叠加,作为偶然荷载作用时的荷载、推力。
计算的位移,与工况3计算的位移叠加,作为偶然荷载作用时的位移,计算的应力与工况1计算的一次应力叠加,进行偶然荷载作用时的应力计算与验算。
计算内容:
偶然荷载作用下的位移、推力、支吊架荷载、应力。
工况6:
弹性支吊架的刚度置为选出的弹簧刚度,不计自重,计入地震和风荷载作用计算的荷载、推力,与工况2计算的荷载、推力叠加,作为地震和风荷载作用时的荷载、推力。
计算的位移,与工况3计算的位移叠加,作为地震和风荷载作用时的位移,计算的应力与工况1计算的一次应力叠加,进行地震和风荷载作用时的应力计算与验算。
计算内容:
地震和风荷载作用下的位移、推力、支吊架荷载、应力。
工况7:
弹性支吊架的刚度置为刚性支吊架刚度,不计自重,计入超温超压作用,进行超温超压时的应力计算与验算。
计算内容:
超温超压时的应力计算与验算。
工况8:
弹性支吊架的刚度置为选出的弹簧刚度,不计自重,计入超温超压作用,计算的超温超压荷载作为计算的荷载、推力,与工况2计算的荷载、推力叠加,作为超温超压荷载作用时的荷载、推力。
计算的位移,与工况3计算的位移叠加,作为超温超压荷载作用时的位移,计算的应力与工况3计算的热胀、工况7计算的应力叠加,进行超温超压荷载作用时的应力计算与验算。
计算内容:
超温超压作用下的位移、推力、支吊架荷载、应力。
工况9:
弹性支吊架的刚度置为刚性支吊架刚度,计入自重和水重。
进行水压试验时的应力验算。
计算内容:
水压试验时的应力计算与验算。
工况10:
弹性支吊架的刚度置为0,不计自重,计入冷紧作用,计算的荷载、推力与工况9计算的荷载、推力叠加作为水压试验时的荷载、推力。
计算的位移与工况3计算的位移叠加,作为水压试验时的位移。
计算内容:
水压试验时的位移、推力、支吊架荷载。
表2.1工况计算参数表
工况
Ξ
σ
P
ΔT
ΔD
ΔL
GW
TH
其他荷载
1
Et
[σ]t
Pj
0
0
0
GW
G
0
2
Et
0
0
Tj-To
ΔD
2/3ΔL
0
0
0
3
Eo
[σ]t[σ]0
0
To-Tj
-ΔD
0
0
TH
0
4
Eo
0
0
0
0
ΔL
0
THL
0
5
Et
k[σ]t
0
0
0
0
0
TH
排汽等
6
Et
k[σ]t
0
0
ΔDd
0
0
TH
风地震
7
Ec
[σ]t
Pc
0
0
0
GW
G
超压
8
Ec
[σ]tc
0
Tc-Tj
ΔDc
0
0
TH
超温
9
Es
[σ]tc
Ps
0
0
0
G
水压试验
10
Es
0
0
ΔL
GWs
0
水压试验
表2.2工况计算成果表
工况
应力
位移
约束点的荷载
推力
1
一次应力
--
分配荷载
自重推力
2
--
--
工作荷载
初热推力
3
二次应力
热位移
松冷荷载
松冷推力
4
--
冷位移
安装荷载
初冷推力
5
5+1
5+3
5+2
5+2
6
6+1
6+3
6+2
6+2
7
7
--
--
--
8
8+3+7
8+3
8+2
8+2
9
9
--
--
--
10
--
10
10+9
10+9
表2.3应力验算条件表
工况
应力验算条件
1
2
不进行应力验算
3
4
不进行应力验算
5
6
,,,,
7
8
9
10
不进行应力验算
表中符号:
E弹性模量:
Es-------设计温度下的弹性模量;
Eo------20℃的弹性模量;
Ec------超温下的弹性模量;
Es------水压试验温度下的弹性模量。
σ许用应力:
[σ]t--------设计温度下的基本许用应力;
[σ]20--------20℃温度下的基本许用应力;
σ=0---------不进行温度验算;
k[σ]t--------用系数k修正的设计温度下的基本许用应力;
[σ]tc--------超温下的基本许用应力;
σts----------管材在水压试验时的屈服极限。
P压力:
Pj--------设计压力;
Pc--------超压压力
Ps--------水压试验压力;
P=0------不计压力。
T温度:
Tj---------设计温度;
To--------20℃;
Ts---------水压试验温度;
ΔT温度变化:
Tj—To---------由热到冷的全温度变化;
To—Tj---------由冷到热的全温度变化;
Tc—Tj---------由热到超温的全温度变化。
ΔD端点附加位移:
ΔD=0------------无端点附加位移;
ΔD=ΔD--------有端点附加位移;
ΔDd--------------地震端点附加位移;
ΔDc--------------由热到超温的端点附加位移。
ΔL冷紧:
ΔL=0----------无冷紧;
ΔL=ΔL-------100%冷紧;
ΔL=2/3ΔL------2/3有效冷紧。
GW自重:
GW=GW---------有自重;
GW=0------------无自重;
GW=GWs--------自重加水重。
TH弹簧刚度:
TH=G----------弹簧刚度置为刚性;
TH=0----------弹簧刚度置为0;
TH=TH----------弹簧刚度置为选择的弹簧刚度;
TH=THL----------弹簧刚度置为弹簧的附加力。
其他符号:
σL-----由于内压、自重和其他持续外载所产生的轴向应力之和(N/mm2).
σE-----热胀应力范围,按全补偿值和钢材在常温时的弹性模量计算的热胀引起的合成力矩,所产生的应力范围(N/mm2).
Do------管子外径;
Di------管子内径;
MA-------管子自重和其他持续外载作用在管子横截面上的合成力矩(N--m)。
W-------管子截面的抗弯矩(立方毫米)。
i---------应力增强系数,0.75i≥1。
k--------许用应力系数。
当任何24小时连续运行时间内,偶然荷载作用时间少于10%,k取1.15;少于1%,取1.2。
MB---------安全阀或释放阀的反座推力,管内流量和压力的瞬时变化,以及地震风荷载等偶然荷载作用在管子横截面上的合成力矩(N-m)。
f-----------应力范围的减小系数。
预期电厂在运行年限内系数f,与管道全温度周期性的交变次数N有关。
N≤2500时,f=1;
N>2500时,
第三章输入数据文件
本程序的输入数据文件有5种记录,一般可分为:
题头记录(文件前四个记录),结构记录(NC<10),辅助记录(40
题头记录;
弯单元记法记录(-1);
弯单元记录(0);
直单元记录
(1);
直单元(异径三通支管、接管座)记录
(2);
直单元(三通主管)记录(3);
刚性件记录(4);
异径管(同心异径管)记录(5);
给定单元刚度矩阵记录(6);
节点编号记录(10);
管端焊点应力增强系数记录(12);
给定支吊架运行工况记录(40);
刚性支吊架刚度记录(41);
刚性件刚度系数记录(42);
蒸汽管道结构载荷记录(43);
辅助输出文件记录(44);
应力输出控制记录(45);
截面特性记录(60、61);
弯管附加记录(62);
材料特性记录(70、77、79);
材料名称记录(71);
介质特性记录(90、97、99);
水平荷载(地震、风)方向记录(81);
地震系数记录(82);
风荷载受风截面记录(83);
风压记录(84);
风荷载标高系数记录(85);
给定原点坐标记录(100);
附加荷载点记录(210);
偶然荷载点记录(215);
给定位移点记录(220);
管道端点热位移记录(230);
管道端点地震位移记录(236);
管道端点超温位移记录(237);
冷紧对口点记录(240);
冷紧对口点记录(241);
坐标校核点记录(250);
给定弹簧荷载记录(260);
点的附加输出记录(290);
给定应力增强系数记录(300);
三通点记录(310、320、330、340);
三通点记录(350);
三通点记录(360、370);
管接座点记录(390);
输入文件结果表识。
具体说明如下:
题头记录
记录形式:
IIN,ION,ICC
ITH,KTH,RTH
NRG,NPS,NPB
f,RK5,RK6
记录内容:
IIN----输入单位(IIN=1工程制,IIN=0法定单位制);
ION----输出单位(IIN=1工程制,IIN=0法定单位制);
ICC----坐标选择(ICC=1为X轴向上,ICC=2为Y轴向上,ICC=3为Z轴向上);
ITH----弹簧种类(一般ITH=3,即支吊架手册弹簧,拟实现1为管规弹簧,2为GB弹簧,9为碟簧);
KTH----弹簧最大串联数(一般KTH=4,表示超过一组串联4个弹簧将采用恒力吊架。
);
RTH----弹簧荷载变化系数(根据管规取值,一般为0.35,重要管道可取0.25、0.15等。
);
NRG----应规种类(NSG=2即为“90应规(SDGJ6-90)”);
NPS----直管验算应力的点数(一般NPS=5);
NPB----弯管验算应力的点数(一般NPB=6);
f----应力范围的减小系数(按规定取值≤1);
RK5----5工况许用应力系数(RK5=1.15或1.20);
RK6----6工况许用应力系数(RK5=1.15或1.20);
缺省:
使用缺省值时,应将以上数据全部置9。
9,9,9
9,9,9
9,9,9
9,9,9
所取的缺省值为:
1,0,2
3,4,0.35
2,5,6
1,1.2,1.2
备注:
1、数据文件的前四条记录,必须是这四条记录。
2、坐标形式见例题,坐标系的选择应是右手定则。
3、ITH为弹簧种类的选择:
ITH=1老弹簧;
ITH=2DLGJ23-81管规弹簧;
ITH=3西北院汽水管道支吊架手册D-ZD83-1900弹簧;
ITH=4GB10182弹簧,新管规(DL/T5054-1996)弹簧;
ITH=5SPRING。
DB文件中的弹簧,用户可自行建立该文件。
ITH=9拟定为碟簧。
未完。
4、NRG应规的选取:
NRG=1老应规,本版只能用于90应规。
NRG=2符合90应规SDGJ6-90。
NRG=3符合美国标准ASMEB31.1,本软件不包括。
5、f的选取:
预期电厂在运行年限内系数f,与管道全温度周期性的交变次数N有关。
N≤2500时,f=1;
N>2500时,
6、RK5、RK6许用应力系数的选取
当任何24小时连续运行时间内,偶然荷载作用时间少于10%,k取1.15;少于1%,取1.2。
管线填写的起点,必须是固定点或者是给定附加位移的点。
否则程序会出现“误解”。
弯单元记法记录
记录格式:
NC,IWD
记录内容:
NC=-1
IWD—弯单元记法
缺省:
IWD=1
备注:
IWD=1直单元长度不含弯单元弯曲半径;
IWD=2直单元长度含弯单元弯曲半径。
建议:
一般应使用IWD=2。
IWD=2IWD=1
图3.1
弯单元记录(0)
记录形式:
NC,IS,IE,RR,RA,IA
记录内容:
NC----NC=0
IS=0----始端无焊缝;
IS=1----始端有焊缝;
IE=0----末端无焊缝;
IS=1----末端有焊缝;
RR-------弯曲半径,米;
RA------弯曲角度(度);
IA---弯单元种类,1热压弯头,2弯制弯头,3焊制弯头。
缺省无,
备注:
弯单元前后必须是直单元记录,当IS=1或IE=1时管端应力增强系数取(12)记录输入的应力增强系数。
直单元记录
(1)
记录形式:
NC,IS,IE,X,Y,Z
记录内容:
IS=0----始端无焊缝;
IS=1----始端有焊缝;
IE=0----末端无焊缝;
IE=1----始端有焊缝;
X,Y,Z-----单元分别在三个坐标轴上的投影长,米。
缺省:
无
备注:
当IS=1或IE=1时管端应力增强系数取(12)记录输入的应力增强系数。
直单元(异径三通支管、接管座)记录
(2)
记录形式:
NC,IS,IE,X,Y,Z,Do,S,WG
记录内容:
NC=2
IS=0----始端无焊缝;
IS=1----始端有焊缝;
IS=0----末端无焊缝;
IS=1----末端有焊缝;
X,Y,Z-----单元分别在三个坐标轴上的投影长,米。
Do----外径,毫米;
S-----壁厚,毫米;
WG-----单位长度的管重量,kg/m。
缺省:
无
备注:
当IS=1或IE=1时管端应力增强系数取(12)记录输入的应力增强系数。
当为接管座时,接管座应分两段填写(见图3.2).
此记录为精确目的,一般可用NC=1记录。
L2
L1
图3.2
直单元(三通主管)记录(3)
记录形式:
NC,IS,IE,X,Y,Z,Do,S,WG
记录内容:
NC=3
IS=0----始端
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