核级管道非标支架的力学分析与优化设计

2019-02-06王骥骁弓振邦刘贺同高齐乐

装备环境工程 2019年12期

王骥骁，弓振邦，刘贺同，高齐乐

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电站中支架是确保管道系统和设备安全运行至关重要的结构，支架对管道系统和设备起固定限制和支撑作用。支架的设计和改进是核电站设计中的重要环节[2]。通常情况下，支架及其所支撑管道及设备，需要承受自重、压力、热膨胀、地震等多种复杂载荷。支架的刚度、强度、稳定性及抗震性能，直接关系到管道及设备的安全运行[3]。文中针对核电站中非标管道支架的力学分析及优化设计改进的关键技术问题开展相关研究，进而为后续核电厂非标支架的设计提供经验参考与技术支持。

1 分析方法及优化设计研究方案

1.1 非标支架概述及应力评定准则

管道系统的非标支架通常由型钢、板材、管件等钢材构件组合而成[4]，在核电厂中结构形式繁多、功能复杂多样、数量庞大、且应用广泛[5]。按RCC-M规范在H1310节的规定[6]，1级设备的支撑件为S1级，2级和3级设备的支撑件为S2级。文中深入研究的S2级支撑件，应遵守RCC-M规范H3300节的设计规则。板式或壳式支撑件在不同设计准则的应力限值见表1。

表1 支架应力评定限值

表1中σm为总体薄膜应力（包括不连续效应，不包括应力集中）；σb为一次弯曲应力（不包括应力集中和不连续效应）；S为材料的基本许用应力；Sy为支架材料屈服强度；Su为支架材料抗拉强度。

1.2 支架力学分析及优化设计流程

基于有限元计算，对核电站中管道支架进行力学计算评定，依照与其对应的规范要求，对支架的刚度、强度、稳定性及抗震性能等诸多技术要求，基于上述结果提出设计优化方案。研究流程及思路如图1所示。

1）支架的力学计算和分析评定：需要根据非标支架的具体形式和功能，完成规范及设计要求的相关评定。包括应力应变、刚度、强度、稳定性等规范要求，同时也包括涉及连接处的焊缝、螺栓、预埋板的校核评定，以及涉及特殊构件及区域的其他评定。

2）支架的修改及优化设计方案的探究：基于力学计算结果进行分析，对评定项中不满足规范要求或未达到设计预期的技术参数指标和功能需求的部分，有针对性地提出修改建议及优化设计方案。在其研究过程中，需要完成多个优化改进方案的力学计算，对其评定结果进行分析比较。综合考虑多方面的条件，进而确定最终优化设计方案。

1.3 优化改进设计技术路线及方案

针对支架设计的优化改进，研究方案分为三个技术思路。

1）整体结构优化：针对力学参数和技术指标不满足设计要求的支架，探索尝试支架整体结构形式的修改及再设计，以满足强度、刚度、稳定性等基础技术指标的要求。

图1 核级管道非标支架计算与优化设计流程

2）局部区域改进：对于局部区域强度不足、应力过大的构件，考虑局部改进、结构补强、辅助结构支撑等改进方案。

3）关键区域重新设计：通常非标支架承载情况较为恶劣，其中管支撑连接区域、螺栓等关键位置容易出现应力不合理现象，考虑对于上述区域进行设计修改等措施。

以表2为例，对工程实践中支架常见设计问题，进行不满足项剖析的示例分析。最终通过分析多种优化方案的计算结果，比较评估并总结规律，探究优化改进方法对于支架各项力学性能及参数指标的影响，为后续支架设计提供指导。

表2 非标支架常见设计问题及不满足项剖析（示例）

2 实例分析及优化设计

2.1 管道支架概述与基本参数

本节分析讨论的管道非标支架为某系统共架形式支架，实现支架功能的是两个PF固定支架。该型支架承担着管道支撑和抗震功能，同时也作为两条管段的力学计算边界，因此确保该支架的刚度、强度、稳定性及抗震性能就显得尤为重要。

2.2 非标支架有限计算与力学分析

针对初始设计方案的管道非标支架，利用有限元软件ANSYS进行力学计算和分析评定工作。考虑支架主体大部分钢制板材类构件，选用板壳单元（Shell181）建模。根据如图2所示的管道支架设计图进行有限元建模。

1）工况组合。计算的支架为共架双PF支架，约束自由度为12个。在计算中，要评估对支架可能出现的最恶劣工况载荷组合形式，因此需要考虑的组合工况数为212次。利用支架的对称性和弯扭组合情况，对4096组工况进行压缩整理后，通过命令流编写程序化加载工况模块。其中根据管道与支架的实际连接情况，利用MPC技术，将加载点和支架连接部件的焊接区域绑定，实现施加载荷的合理化。

2）刚度评定。支架刚度计算采用单位载荷法，按照管道实际连接情况，在支架承受载荷的作用点的x、y、z方向各施加10 kN载荷，计算得到管道支架的最大位移。根据胡克定律：F=KX，可计算得到支架的刚度，见表3。由于所支撑管道的管径为660.4 mm，设计要求的最小刚度为250 000 kN/m，以该数值作为刚度校核限值。通过计算表明，支架刚度三个方向的刚度均不满足设计要求，其中尤其是z方向刚度与设计存在量级上的差距，并且x方向刚度也不足设计要求的40%。基于刚度的计算结果，该支架结构设计上存在较大缺陷。需要整体结构设计上的改进。

表3 支架刚度计算

3）应力评定。根据上述工况组合得到支架最不利工况的薄膜和薄膜加弯曲应力结果。支架采用Q235-C的许用值来进行评定，管道非标支架在0/A/B和D级工况的最不利应力结果及应力云图如图3所示。其中灰色色块区域为超过设计许用值的区域。

Candes和Tao等人已证明当已知观测元素数量c≥Cμ2nr(logn)6时,优化问题式(3)可以以不低于1-n-3的概率重构矩阵X,其中C为常数,μ为不相关系数,r为矩阵的秩.

通过对非标支架在各工况下的力学计算和应力分析，发现支架最大应力严重超过许用值。与此同时，在焊缝评定、基础载荷状态、螺栓等数项评定中，应力结果超出许用值数倍，存在大范围结构不满足规范要求的情况。基于上述评定结果，该支架需要针对整体结构进行设计改进。

2.3 优化改进方案研究

本管道支架的优化设计参考2.2节的有限元分析及评定结果，针对计算结果中不满足规范要求和设计指标的问题进行分析总结。针对本支架存在的不同类型问题，通过多次探索与尝试方案的试算结果分析，提出如图4所示的设计改进思路。

在探索各改进方案过程中发现，针对支架结构的改进、补强、调整、优化对于支架的刚度、强度与稳定性等性能有着较为复杂的影响，各个参数指标、规范限制、设计要求之间并不是独立的。为满足上述要求，拟定的探索改进设计方案见表4。

图4 针对管道支架存在问题及拟定的研究思路

表4 管道支架改进设计方案

由于左侧与中部竖钢梁的实际型钢标号受管墙间隙和管间间隙限制，中间还包含管道护板，支撑构件等结构，左侧竖梁最大设计为HW150×150，中部竖梁最大设计为HW200×200。同时考虑到x方向与z方向刚度较差，尝试通过补充斜支撑结构设计提高刚度。

考虑到管支撑连接部分问题较为严重，连接构件原设计为方钢。根据有限元计算分析结果，强度、刚度及稳定性都存在较大问题。为增强其结构强度，改善承载情况，每个方刚重新设计为两个含加强板的H型钢，并且靠墙附近的支撑构件均直接约束在墙上，以增强稳定性。

1）改进优化方案对于支架刚度的影响。参考2.2.2节刚度评估的相关方法，采用单位载荷法对于改进方案的支架整体刚度进行评定比较，见表5。

表5 各改进方案支架刚度计算

通过数据分析比较，发现PLAN-4前后斜支撑的设计，使z方向刚度提升6倍以上，PLAN-5下部斜支撑提升了x方向50%的刚度，如图5和图6所示。因此，斜支撑设计对于支架刚度有着明显的加强。由于PLAN-6管件支撑构件多处于预埋板直接焊接，直接承载了大量载荷，使各个方向的刚度增强了数十倍，使支架刚度均满足了规范要求。

图6 各改进方案的支架刚度分析比较

表6 各改进方案支架应力评定 MPa

以许用应力值作为力学评定标准，最大应力比小于1即为满足规范要求。从图8可以看出，原设计方案计算最大应力值超过许用值7～10倍。通过改进方案的研究，最终PLAN-6达到设计要求，满足力学评定中应力值的规范要求。

图8 改进方案应力评价曲线（应力比）

3）改进优化方案对于管道支撑件的影响。通过对各改进方案的计算结果进行分析发现，支撑件结构强度不足，应力过大。在后几个方案中最大应力出现位置，存在主体构架满足规范要求，但支撑连接件局部应力过大。其中PLAN-6重点对该部分做了优化改进，由双槽钢结构改为两个H型钢独立支撑结构。以同种工况下，支撑件的局部应力分布（如图9所示）可以看出，PLAN-5的最大应力值远远超过许用值，局部改进后的PLAN-6应力值为221 MPa，降低了80%。通过计算结果发现，该优化设计方案显著增强了结构的强度，达到降低支架应力，减小变形量的效果。