某核电厂管道支架设计与优化处理

某核电厂管道支架设计与优化处理

蒋海宁,柳培蕾,王妮妮,史德才

（西安陕柴重工核应急装备有限公司，西安 710000）

摘要：研究了某核电站厂房中用于支撑管道时生根在侧墙的支架的应力和刚度特性，基于材料力学理论，创建ANSYS有限元模型，进行力学分析，并对支架结构进行优化处理。研究结果表明：对于悬臂梁形式的支架，加大型钢尺寸或建立斜撑可以有效减小型钢应力，增强支架刚度。该结论可以为核电站管道支架结构设计提供有效思路，对类似结构采取最优设计，在支架校核计算等工作中减少试错，提高效率。

关键词：管道支架；有限元分析；应力强度；刚度；优化处理

1引言

现阶段，核电事业发展迅猛，核电安全更是重中之重，不容忽视。在核电站厂房中，管道支架是关乎整个系统安全稳定的重要部分之一。很多学者也进行了深入探讨：孙浩[1]探究了管道焊接固定支座并提出简化力学分析方法；赵金桥[2]、陶卓然[3]等对支架截面、抗震能力等方面进行讨论。厂房设备与管道排布密集有序，支架模型结构复杂，李伟正等[4]针对实际工程中的复杂支架进行了建模计算。

核电站厂房中支架最基本的生根方式有型钢竖直向上支撑、自上而下吊起支撑和侧方伸出悬臂支撑，前两者所受主要应力为拉压应力，而悬臂支撑还会受到更为重要的剪应力，依据材料力学强度理论，对于碳钢、铜、铝等塑性材料，采用悬臂支撑进行本次探究更为全面。

本文讨论公称直径DN100的管道所产生的管卡力对悬臂支架的影响，根据支吊架手册，在管道计算得出支架力满足标准管卡的前提下，采用ANSYS有限元软件对其进行力学分析，适当加大型钢或增加斜撑以加强结构性能，并讨论斜撑位置和角度对支架性能的影响，为该核电厂房其他管道支架的结构优化提供参考。

2设计要求及评定准则

2.1支架结构设计

某核电厂中用于支撑公称直径为DN100的管道的支架为非标准结构，且管道管径较大，采用型号的H型钢作为主体结构，现场管道与墙面关系见图2.1。

图2.1实体图

型钢通过预埋板固定，材料为Q235B，常温下其性能参数为：

弹性模量、泊松比

密度、许用应力

对模型施加方向指向地心的加速度来模拟支架自重作用，惯性载荷大小为9810mm/s2，采用等效静力法加载地震载荷，取值如下：

2.2应力评定准则

线型支承件按GB/T16702-2019附录F的相关规定进行力学评定。

2.3刚度评定准则

根据胡克定律，支架计算最小刚度为单位变形量上的力。对于DN100的管道，其管道支撑最小刚度，当支架计算最小刚度满足时，该支架刚度达标；当时，在管道计算时构建型钢，将支架与管路组合计算，若管道强度、管口载荷、支架载荷等均能满足要求，可认为该支架刚度满足设计要求，本文在管道计算时均已构建型钢支架。

3建模及计算

采用ANSYS有限元软件建模，型钢采用beam188单元，预埋板建立固定约束，管道中心位置等效为模型受力点位置。在自重、地震载荷的作用下，经管道计算得出支架受力为：

其中导向支架与管道未限位方向会产生相对滑动，轴向力考虑由摩擦力产生，摩擦系数为0.3。

3.1应力评定

图3.2支架应力云图

表3.1支架应力评定

3.2刚度评定

由图3.3可知，，但管道强度、管口载荷、支架载荷等均能满足要求。

4结构优化处理

为使管道支撑更加安全可靠，对支架结构进行优化。不同型钢在管道计算时得出的支架力会稍有不同，可忽略不计，因此均采用第三章节支架力进行计算。

4.1型钢尺寸

将型钢由调整为探究支架强度变化。

4.1.1应力评定

图4.1支架应力云图

表4.1支架型钢应力评定

4.1.2刚度评定

由图4.1可得，但管道强度、管口载荷、支架载荷等均能满足要求。

同第3章节对比，型钢尺寸增大，应力强度、变形量、线性支撑件复合应力和剪应力都减小，计算刚度与管道支撑刚度之比增大，刚度增强。

4.2斜撑位置

由于型钢末端受力集中、载荷较大，支架受力点距离固定端较远时，会在型钢根部产生过大弯矩，应力也随之过大。为防止型钢损坏，降低断裂风险，考虑增加斜撑以增加强度。

优化后的支架模型见图4.2，当时，探究四种斜撑位置对支架强度的影响，其中型钢采用。

图4.2支架模型图

4.2.1应力评定

对四种不同位置斜撑的支架进行建模计算，应力云图见图4.3。

图4.3斜撑不同位置支架应力云图

可见当l增大，支架的变形量持续减小；当时，应力强度随l的增大而减小，当时反之。

表4.2支架型钢应力评定

四种斜撑位置下，当时，剪应力和复合应力随l的增大而减小，时反之。

4.2.2刚度评定

表4.3支架型钢刚度评定

支架刚度随l的增大而增大，且满足管道强度、管口载荷、支架载荷等要求。

4.3斜撑角度

讨论在，斜撑角度为及下支架的强度，其中的结果已在4.2节中给出。

4.3.1应力评定

对斜撑角度的支架进行建模计算，应力云图见图4.4。

图4.4斜撑不同角度应力云图

结合图4.4可知，当时，应力强度相差不大，当时，应力增大，但变形量是随着的增大而增大。

表4.4支架型钢应力评定

当时，剪应力和复合应力结果相差较小，当时，剪应力和复合应力增大。

4.3.2刚度评定

表4.5支架型钢刚度评定

支架刚度随斜撑角度的增大而减小，且满足管道强度、管口载荷、支架载荷等要求。

 5结束语

对于生根在侧墙上的管道支架，通过等效静力法，利用有限元软件建模求解地震工况下支架的应力及刚度问题。结果表明，增大型钢尺寸能有效减小支架应力，增强刚度。在型钢尺寸不变的情况下，建立斜撑也是增加支架强度的有效途径：当斜撑角度为45度，且时，斜撑越长，支架剪应力和复合应力越小，刚度越大；当，且斜撑角度在45度以内时，应力和刚度几乎没有影响，该结论是否与地震载荷有关还有待讨论。综上，可选取斜撑在且倾斜角度为45度的支架结构，为该厂房地震工况下其他类似结构的支架优化提供思路与参考。

参考文献

[1]孙浩.某项目管道固定支座力学分析方法研究[J].化工机械,2022,49(02):256-260.

[2]赵金桥,刘胜,马龙.基于ANSYS的管线抗震支架抗震特性研究[J].重庆工商大学学报(自然科学版), 2019,36(02):80-86.

[3]陶卓然.基于AnsysWorkbench的支架静力学分析[J].内燃机与配件,2019(14):108-110.

[4]李伟正,王永士.核电站管道支架结构设计及力学分析[J].能源与节能,2022(06):92-95.