精确时程分析在管道水(汽)锤计算中的应用探讨

　　工业管道在运行中,由于阀门突然关闭或开启、泵等设备突然停止等引发的管道振动、发生啸声,流体力学研究中称这种现象为水(汽)锤现象。水(汽)锤是由于管道内部介质流动状态突然改变,以流体中的声速沿管道轴向传播形成压力波,压力波在传播中,由于管系中的压力不平衡将在管道轴向产生冲击力。这类冲击力的瞬时值可能达到惊人的数值,作用于管系、支架和设备接口,易形成管系共振、支架损坏等后果,影响系统的安运行,所以对主要管道(如大口径水管道、系统中有快关或开阀管系)进行水(汽)锤计算是非常必要的。

　　对管系进行水(汽)锤计算分两步:①需要计算管系中各管段的动态力数值及这个力和时间的曲线关系;②知道动态力的大小和变化关系,计算动态过程对管系应力、支吊架荷载等的影响。

　　1　流体瞬态分析

　　由于水(汽)锤是由于管道内介质流动状态突然改变而形成压力波,并在管道产生轴向冲击力。动态分析外在表现是管道受冲击,而实际上是由于内部流体产生的力。所以对流体进行精确的动态计算也就相当于计算管道受到的冲击力。

　　在没有引进精确瞬态计算软件如PIPENET-TRANSIENT前,计算管系的不平衡力多用手算,手算公式如下[1]:

　　式中, F为最大不平衡力; C为压力波在管道中的传播速度; L为直管段长度; dw/dt为阀门动作过程中流量的变化率。

　　以上公式基于如下假定:①整个过程温度恒定;②蒸汽视为理想气体;③流动无摩擦;④流体为单一流动;⑤由压力波产生的蒸汽特性变化是等熵的;⑥在阀门、弯头、三通、大小头处的动力损失忽略;⑦不考虑波的干扰。

　　鉴于手算不精确,引入PIPENET软件计算,避免不准确性。可得到较准确的最大动态力数值及动态力和时间的变化关系曲线。

　　有了准确的输入数据,就可以把数据输入应力分析软件CAESARⅡ,分析各管段上的动态力对管系造成的影响。

　　2　模拟动态力对管系的破坏

　　实际上管道的水(汽)锤计算不外乎两个目的:①计算管系的应力是否超过规范规定的许用值,通常为防止管道的破坏,在管道的适当位置要加限位装置和液压阻尼器,以提高管系的刚度,防止瞬间破坏;②计算限位装置和阻尼器所要承受的荷载,选择合适的阻尼器和限位装置。

　　CAESAR软件使用动态运动方程的数值积分法来模拟荷载作用期间的系统响应。

　　用动态运动方程来求解分析整个管系的响应如下:

　　式中, M为系统的质量矩阵; x″(t)为系统加速度矩阵; C为系统阻尼矩阵; x′(t)为速度矢量;K为系统刚度矩阵; x(t)为位移矢量; F(t)为作用荷载矢量。