模态分析在管道应力模型校核中的应用

杨志坚 施少波

摘  要：文章介绍了将模态分析应用于管道应力计算模型校核的一种新方法。通过对示例管道模型的校核结果表明模态分析可校核出管道应力模型的错误，保证了管道应力分析结果的准确性。

关键词：管道应力;模态分析;模型校核

中图分类号：TQ050.2       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）14-0170-02

Abstract： In this paper， a new method of applying modal analysis to the verification of pipeline stress calculation model is introduced. The verification results of the example pipeline model show that the modal analysis can check the errors of the pipeline stress model and ensure the accuracy of the pipeline stress analysis results.

Keywords： pipeline stress; modal analysis; model checking

引言

随着计算机辅助设计的普及化，越来越多的设计院所搭建了三维管道设计平台，将三维管道设计软件、管道应力分析软件有机集成，并且开发了相应的接口软件，使得三维管道设计软件中所建立的三维模型可直接导入管道应力分析软件中进行计算分析，例如UE-PSI（长沙优易软件）、eZPDMS2CII（北京达美盛软件）均可实现三维管道设计软件PDMS模型到管道应力分析CAESAR II的单向导入而三维管道设计软件CADWORX与CAESAR II由于均由海克斯康公司开发，更实现了两个软件间的无缝双向导入;由于相应的接口软件省去了管道应力分析软件的建模过程，大大节省了管道计算分析工作所需时间，极大地提高了工作效率。但是由于软件是一个不断完善的产品，现阶段三维管道设计软件模型导入到管道应力分析中都存在一些错误，导致直接导出的模型有错误不能计算或者计算不准确，需要使用者对模型进行校对修正后才能得到正确可靠的结果。

1 管道模态分析的应用

1.1 管道模态分析的常规应用

管道模态分析作为一种管道动态分析技术，通常用于以下分析：

（1）作为管道振动治理的辅助手段[3]管道模态分析可以获得管道系统的固有特性（频率和振型），管道振动治理只需使得激振频率避开管道系统最重要的前几阶固有频率，即可以减缓管道振动。

（2）作为管道其它动态分析技术的前提[2]管道模态分析是管道其它动态分析技术（谐波分析、频谱分析等）的前提。

1.2 管道模态分析用于校核管道应力模型

管道应力分析通常需要将管道系统与周边环境剥离开来，建立可以用来计算的数学模型。管道系统的边界往往是接设备点及自由端。接设备点常用固定点（常温设备）以及带热胀位移的固定点（非常温设备）进行模拟，而自由端则往往模拟成6个方向均无约束的端点。除此之外，整个管道系统不同管系之间都是通过三通、四通等管部件连接起来的。

管道模态分析可以获得管道系统的固有特性（频率和振型），通过对模态振型的分析可以来校核管道的边界正确性与否。

2 实例验证

某试验台架由一回路系统、二回路系统和各种辅助系统构成，其高加蒸汽系统材料采用20G，介质为过热蒸汽，设计压力为350℃，设计压力为9MPa。运用ASME B31.3-2014[1]规范对其相关管线在承受自重、内压、温度等载荷作用下的一、二次应力进行评定。由三维管道设计软件CADWORX建模后通过接口直接导至CAESAR II中进行计算，导入后的管道应力计算模型如图1所示。

2.1 管道应力模型（直接导出模型）

如果不对直接导出模型进行详细校核，CAESAR II自检无致命错误，可以进行计算，其静态分析得到的一、二次应力的计算结果分别为75.6%，60.4%，应力合格，如表2所示。对直接导出模型进行模态分析得到管道前5阶模态的频率如表1所示。

通过对模态分析振型结果进行分析对管道应力模型边界进行校核。其中第4阶频率2.134所展现出来的振型如图2所示，其与真实设计不相符合，因为此处设计采用三通，不应该出现支管脱离主管自由摆动的情况。

2.2 管道应力模型（直接导出模型修正后）

经过校核，此处错误是由于技术人员在CAWORX中管道建模时疏忽所致，目视检查模型似乎管道的主管及支管已由三通连接在一起，而实际上并未連接。而此种与实际设计不符的错误，CAESAR II计算自检不会报错。在CAESAR II中将脱开的节点改为三通连接节点将主管及支管连接在一起就能更正此类错误，对修正后的直接导出模型进行模态分析得到管道前5阶模态的频率如表1所示，模型修正后，原有不正确的第4阶频率2.134已经消失。

对修正后的直接导出模型进行静态分析得到的一、二次应力的计算结果分别为75.9%，114.4%，如表2所示，二次应力超标，后期需要采取相应措施对管道进行改造以满足应力要求。从表2可以看出，在其它所有参数（温度、压力、材料等）均一致的情况下，管道应力模型的边界条件对应力结果有着重大的影响，由三维管道软件直接导出的管道应力模型如果不经过认真校核并修正，将会出现应力分析结果虚假合格，而实际超标的情况，如果误应用于实际工程将严重影响到管道系统的长期、安全稳定运行。

3 结论

本文将模态分析应用于管道应力计算模型的校核中。通过对模态振型的分析可校核出管道应力模型中的边界错误，从而避免了计算模型与实际设计不符的情况，保证了管道应力计算结果的准确性。

参考文献：

[1]ASME B31.3-2014， Process Piping， The American Society of Mechanical Engineers[S].

[2]CAESAR II User Manual， 2017.

[3]陈盛广，王军民，陈福江，等.模态分析技术在主蒸汽管道振动治理中的应用[J].第九届电站金属材料学术年会，2011：540-543.