基于CAESARII的高层建筑空调管道应力的温度影响分析

黄正凯,邓亚宏,肖 阳,聂 伟,杨仲卿,孟胜利

(1.中建三局第二建设工程有限责任公司,湖北 武汉 430070；2.重庆大学能源与动力工程学院,重庆 沙坪坝 400000；3.中国电建集团华中电力设计院有限公司,河南 郑州 450007)

1 引言

在高层建筑中应力分析是空调管道工程设计的基础,是保证管道安全运行的一种重要方法。目前管道应力分析在优化设计、安全生产、节约材料等方面起到了重要作用,并已在石油、化工、电力、建筑等领域的管道设计中占据了十分重要的位置[1]。

国内外许多学者对各种管道进行应力分析。张桦输水管线里的埋地钢管进行了受力分析,提出了减小应力危害的措施和方法[2]；邢一东通过CAESARⅡ对汽轮机蒸汽管道进行了建模与应力分析,通过比较不同支吊架设置以及管道走向得出最佳方案[3]；郑明秀则是利用CAESARⅡ对600 MW火力发电机组主蒸汽管道进行动态分析,提出管道设置改进方案[4]。

目前对于高层建筑空调管道的应力分析目前研究的较少,民用高层建筑的暖通空调系统采用大量的管道进行水介质的输送,不同空调系统所采用的管道系统也有所区别。研究表明,不同类型的管道承受载荷的能力不同,由压力、温度等因素引起的应力值改变量也不相同。使用应力分析软件CAESARⅡ对某段空调管道进行应力分析,通过改变管道温度,得出温度对空调管道应力的影响规律,为暖通空调管道的设计和施工提供安全依据。

2 管道模型的建立

本文构建了某空调系统的一段管道模型,管道采用滑动支架和导向支架作为支撑,起点和终点分别设置一个固定支架,用以截断研究对象以外管道对模型的影响,管道具体支吊架设置和管道走向如图1所示。

根据实际暖通空调安装的常用工况管材采用了常用的20号钢φ273×12.7mm的管道,管道压力设定为2MPa。由于当空调系统制冷时一般输水温度为7℃-12℃,制热时输水温度为40-45℃,而锅炉房输水温度一般在70℃以上。由于输水管道的温度变化范围较大故将管道温度分为低温、常温、中温和高温四个区间对管道应力进行分析。其温度具体分区如表1所示。

表1 温度分区表

3 结果与分析

对各温度区间的管道应力计算结果汇总,结果表明在不同温度下操作应力最大位置处于两弯头之间的结合部位,将其作为对象研究管道的操作应力,操作应力过高可能导致管道的疲劳破坏和脆性断裂。而二次应力最大位置则在管道尾端固定支架节点处,将其作为对象研究管道的二次应力,二次应力过高会导致管道的疲劳破坏。将各个温区内的应力计算结果分别进行分析如图2-9所示,同时对各曲线进行拟合。

3.1 低温区管道应力分析

由图2和图3可知,在低温区间内,管道操作应力随着温度的升高而减小,减小幅度很小,当温度增大10℃,其操作应力减小50kPa,减小幅度很小,其拟合直线的斜率为-5.2。由于操作应力是由于荷载和局部结构发生突变产生的,所以说在低温区,温度的变化对管道的局部结构影响很小,所以对管道应力影响不大。管道的二次应力随着温度的升高而增大,并且增大幅度明显,在此温度区间内温度每升高10℃,二次应力增大近8000kPa。其拟合直线的斜率为789.2。由此可见,在低温区内,管道温度对于二次应力的影响要远大于对操作应力的影响,所以对于低温管道要注意对二次应力的校核。

图2 低温区操作应力与温度关系

图3 低温区二次应力与温度关系

3.2 常温区管道应力分析

由图4和图5可知,在常温区间内,管道操作应力随着温度的升高而减小,但是减小幅度很小,其拟合直线的斜率为-3.1,斜率比在低温区的还要小,说明在常温区间内温度对管道操作应力的影响很小,管道的结构稳定。而对于管道的二次应力随着温度的升高而增大,并且增大幅度明显,其拟合直线的斜率为802.2。由于管道在高于20℃时开始膨胀,其二次应力随着温度上升逐步提高。

图4 常温区操作应力与温度关系

图5 常温区二次应力与温度关系

3.3 中温区管道应力分析

由图6和图7知,在中温区内,管道操作应力的变化规律相对于低温区产生了很大变化,其随温度的升高而增大,并且可以看出早35-40℃之间其应力增长速率明显小于40-65℃,说明随着管道温度的升高,管道的局部结构发生了较大变化,产生了较大的局部应力。其总体拟合直线的斜率为728.5。管道的二次应力随温度的升高而增大,其拟合直线的斜率为825.5,比低温区和中温区的拟合直线斜率都要高,表明管道此时发生了更大的热膨胀。

图6 中温区操作应力与温度关系

图7 中温区二次应力与温度关系

3.4 高温区管道应力分析

由图8和图9可知,在高温区,管道操作应力随温度的升高而大幅增大,到95℃时,操作压力约为90000kPa,其拟合直线的斜率为851,对于高温的空调管道,过大的操作应力会使管道会有脆性断裂和疲劳破坏的风险。管道二次应力随着温度的升高而增大,在95℃时达到约78000kPa,其拟合直线的斜率为856。由于二次应力是由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力,它本身不直接与外力平衡,二次应力是自限性的,当局部屈服和产生少量塑性变形时,通过变形协调可以使过高的应力降下来。

图8 高温区操作应力与温度关系

图9 高温区二次应力与温度关系

4 结论

通过运用应力分析软CAESARⅡ对某空调管道进行了应力分析,通过改变管道的温度,对比分析结果,得出如下结论：①空调管道在常温区间有最小的管道操作应力：当温度处于5-35℃时,空调管道操作应力随着温度的升高而减小,但管道操作应力整体变化幅度极小；②当管道温度处于35℃-95时,空调管道操作应力随着温度的升高而增大,并且管道整体应力变化幅度很大,其幅度大小约为低温时变化幅度的200倍；③管道的二次应力随着温度的升高而增大,并且较高的温度对于管道二次应力的影响更大。

因此在高层空调管道工程设计中,确定管道的适用条件需要考虑温度对管道应力的影响,特别是在管道一些关键部位如管口、弯头、三通等应力较大点应该重点关注,以确保空调管道设计的合理性以及运行安全。