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瞬时力分析

在零流量条件(静态或停滞条件)下,管道系统会由于所输送液体的重量和静态压力而遇到液压力。在恒稳态下,这些力通常会进行平衡,以便按另一个弯头上的力或通过限制(例如止推块)平衡大部分弯头上的压力。ASME B31.3 等规范将此平衡水力恒稳态称为工作压力和温度。可以使用管道应力软件来确保支撑、导向和限制足够坚实,能够将管道支撑到位而不会出现过大的位移和振动。

只要流量和/或压力的变化相对于系统的特征时间来说很快速,就会出现水力瞬变。瞬变期间出现的压力和动量快速变化会导致液体(和气体)对管道和附件施加瞬时力。这会对工厂内的埋地自由支撑管道产生重大影响,原因如下:

  • 如果压力和流量在瞬时事件期间发生变化,则力向量的幅值和方向会以同样方式变化。这对止推块和限制的设计具有重要影响。
  • 由于重量,瞬时力即使对水平管线也始终是三维的。对于埋地管道,这些力还会在离散点(止推块)由于与地面接触而受到三维方式的抵抗,并由于土壤摩擦而受到纵向抵抗。
  • 瞬时力不与瞬时压力成线性比例。即使瞬时压力小幅度增大,也会成比例地形成更大的瞬时力。原因是力不是压力的线性函数。
  • 专为恒稳态或“运行情况”设计的止推块或限制的(恒定)安全系数通常不足以抵抗瞬时力,尤其是对于工作压力、温度或质量较高的系统。

ASME B31.3 等规范将流体瞬变称为“动态”运行情况,这可能还包括由于减压阀弹开而产生的瞬间推力,以及由于地震而发生的管道快速加速。对于动态情况,建议调查可能形成的流固耦合 (Fluid-structure interaction, FSI),但是否进行此类分析主要由设计师决定,除非是锅炉或核设施。

在廉价计算出现之前,对于大型管道系统或工厂来说,瞬时应力和管道应力计算是一项艰巨且几乎无法执行的工作。通过增加分析次数并参与设计,可以更好地了解系统,以确保安全运行并最大限度减少停工。设计师应遵循以下步骤:

  • 使用 HAMMER 进行恒稳态分析:对管道和设备进行布局,以便高效地输送恒稳态流量。这仍然是必不可少的设计步骤,并通过确定所需管道的数量、材料/厚度和长度来控制大部分系统的经济效益。
  • 使用 HAMMER 进行瞬时分析:重新考虑管类和/或增加保护装置,以使瞬时压力尽可能接近恒稳态。检查恒稳态力和瞬时力,以指导止推块的设计。这可能是埋地管线设计的最后一步,或者也可以使用专用管道/土壤模型来检查对覆盖层和地下水的支撑和抵抗力是否充足。
  • 使用 Bentley AutoPIPE 进行管道应力分析:根据恒稳态(运行情况)和瞬态(动态)以及热力管道应力(如果有)验证支撑、导向和限制。这可能是流程工厂管道设计的最后一步,或者也可以花更多时间来执行频域分析,以检查流激振动或地震。

HAMMER 需要 X、Y 和 Z(高程)坐标来计算瞬时力。完成已启用瞬时力的模拟需要更长时间,但无需执行任何附加步骤。结果以瞬时压力的相似方式作为表格或图表提供:瞬时力图表显示 X、Y 和 Z 轴分量,以及结果幅值。瞬时力还在数据表中提供:这些数据表可以用作 Bentley AutoPIPE 等管道应力软件的输入。