一种内压平衡型套筒补偿器在CAESARⅡ中的模拟方法

技术领域

本发明涉及补偿器在CAESARⅡ中模拟计算领域，特别是一种内压平衡型套筒补偿器在CAESARⅡ中的模拟方法。

背景技术

关于套筒补偿器，其常被设置在热力管道上，用于吸收管道沿轴线方向的热伸长量；按照能否自行消化内压盲板力，分为平衡型和非平衡型；设置非平衡型套筒补偿器的管道，计算固定点的推力时，除了考虑管道由于热膨胀引起的二次应力外，还需要考虑管道内的介质压力引起的一次应力；设置平衡型套筒补偿器的管道，计算固定点推力时，只需要考虑管道由于热膨胀引起的二次应力，因此平衡型套筒补偿器又被称为无推力套筒补偿器。

关于CAESARⅡ，作为一款商业软件，用于各类管网的应力模拟计算，其模拟步骤大致如下：

a.管网模型建立：根据路由方案和管道规格建立管网模型；

b.材料参数设置：定义管道材料、保温材料以及管道内介质的参数和物理性质；

c.边界条件输入：设置固定点、滑动点、导向和补偿器，输入摩擦系数、自由度刚度及其他参数；

d.运行工况设定：根据实际情况设置管网运行工况条件；

e.计算结果校核：软件模拟计算完成后，用户根据结果对管网设置方案进行调整。

对于步骤c当中的补偿器模拟，软件提供2类方法：自然补偿和人工补偿；当选用自然补偿时，用户可根据管网实际情况设置自然补偿器，然后根据软件的模拟计算结果，来判定补偿方案的合理性；当选用人工补偿时，由软件提供完整的用于模拟波纹补偿器的功能板，用户可根据实际需求设置刚性件的种类、端部类型、补偿器的规格以及相关参数用于模拟计算；但软件内置的人工补偿仅有波纹一种形式，缺少用于模拟套筒补偿器的功能板。

热电厂的厂内采暖管网，以及一些区域的市政供热支线管网，多采用架空敷设的形式，考虑到美观因素同时受到敷设空间的制约，对于需要进行轴向补偿的长距离直线管段，多采用人工补偿方案，仅在个别部位使用自然补偿。

此外，上述管道规格通常在DN500以下，如果大量使用波纹补偿器，会影响管网造价，因此业主通常更倾向于使用套筒补偿器作为人工补偿方案。

正规厂家的产品样册中，会提供各类套筒补偿器的材质、外形尺寸和摩擦力数值等参数，供设计人员选型和管道应力计算时使用；对于距离较短且结构形式简单的管段，设计人员可直接使用样册提供的数值，对固定点荷载进行计算，尽管存在误差，但都在可接受范围内；但对于复杂管网，由于固定点两侧管段的规格(如管径、材质、保温尺寸等)和边界条件(如滑动支架的摩擦系数、管道自由度、补偿器的形式等)可能存在较大差异，这些差异的相互影响，使得设计人员很难通过手算或根据经验估算的方式，在有限的时间内获得固定点的准确荷载，只能借助软件进行模拟计算。

由于CAESARⅡ当中没有套筒补偿器的功能板和使用指南，用户只能通过自行建模的方式来完成套筒补偿器的模拟计算，但错误的建模方法，会直接导致错误的模拟计算结果，而目前几乎找不到有关“在CAESARⅡ当中进行套筒补偿器模拟”的文献资料，因此有必要在CAESARⅡ当中，为套筒补偿器探索一种正确的模拟方法。

发明内容

本发明提供一种内压平衡型套筒补偿器在CAESARⅡ中的模拟方法，使该软件在“以套筒补偿器作为主要补偿手段的管网”应力模拟计算场景下，实现从0到1的突破。

本发明所采用的技术手段如下所述：

一种内压平衡型套筒补偿器在CAESARⅡ中的模拟方法，该模拟方法包括以下步骤：

S1：通用模型建立：建立与套筒补偿器相匹配的节点并编号，根据建立的节点进行建模得到通用模型；

S2：通用模型导入：将S1中的通用模型导入管网模型中，并调整通用模型位置，使管网模型与通用模型的对应端点重合。

作为优选，在S1中，建立与套筒补偿器相匹配的节点时，每个节点至少进行6位编号N

N

N

N

作为优选，当节点表示套筒补偿器的固定端时，N

表示固定端的节点为5个，依次为：N

表示活动端的节点为3个，依次为：N

作为优选，在建立通用模型时：

选择节点N

选择节点N

选择节点N

选择节点N

选择节点N

选择节点N

并进一步设置管道的规格，使：

过渡管规格＝工作管规格＝套筒补偿器所在管段规格；

外套管内径＝工作管外径；

外套管的位于工作管之前的直管段L2≥该处直管段热伸长量的1.5倍。

作为优选，进一步使节点N

a.竖直方向约束，约束类型为Y，互相约束竖直方向位移；

b.水平侧向约束，约束类型为Z，互相约束水平侧向位移；

c.轴线方向约束，约束类型为X2，双线性约束轴线方向位移；

当两节点所在管段热膨胀引起的推力＜屈服力Fy时，该约束的刚度为+∞，位移＝0；

当两节点所在管段热膨胀引起的推力≥屈服力Fy时，该约束的刚度为0，位移≥0；

其中，屈服力Fy＝套筒补偿器摩擦力；

以及进一步使节点N

d.竖直方向约束，约束类型为Y，互相约束竖直方向位移；

e.水平侧向约束，约束类型为Z，互相约束水平侧向位移。

作为优选，在将S1中的通用模型导入管网模型前，在每个节点原有6位编号前增加1位编号N

作为优选，在通用模型导入管网模型后，节点N

当通用模型的固定端与管网模型端点相连时，将管网的端部节点编号改为N

当通用模型的活动端与管网端点相连时，将管网的端部节点编号改为N

本发明与现有的技术相比具有如下优点：

1.本发明扩展了CAESARⅡ软件的应用场景，填补该软件所缺少的套筒补偿器模拟功能。

2.有助于设计人员在面对复杂的“以套筒补偿器作为主要补偿手段的管网”应力计算任务时，提高计算结果的效率和准确性。

附图说明

图1为本发明套筒补偿器通用模型的模拟示意图。

图2为图1通用模型的一具体实施例。

图3为图2实施例的成品通用模型图。

具体实施方式

如1-3所示，提供以下具体实施例。

一种内压平衡型套筒补偿器在CAESARⅡ中的模拟方法，该模拟方法包括以下步骤：

S1：通用模型建立：建立与套筒补偿器相匹配的节点并编号，根据建立的节点进行建模得到通用模型；

S2：通用模型导入：将S1中的通用模型导入管网模型中，并调整通用模型位置，使管网模型与通用模型的对应端点重合。

在S1中，首先进行节点编号，建立与套筒补偿器相匹配的节点时，每个节点至少进行6位编号N

N

N

N

如图1所示，得到：

表示固定端的节点为5个，依次为：N

表示活动端的节点为3个，依次为：N

接下来开始建模，在建立通用模型时，如图1所示：

选择节点N

选择节点N

选择节点N

选择节点N

选择节点N

选择节点N

并进一步设置管道的规格，使：

过渡管规格＝工作管规格＝套筒补偿器所在管段规格；

外套管内径＝工作管外径；外套管外径参考厂家样册；

外套管的位于工作管之前的直管段L2≥该处直管段热伸长量的1.5倍；或参考厂家样册；以及套筒补偿器的两端节点之间的距离L1参考厂家样册。

进一步，使节点N

a.竖直方向约束，约束类型为Y，互相约束竖直方向位移；

b.水平侧向约束，约束类型为Z，互相约束水平侧向位移；

c.轴线方向约束，约束类型为X2，双线性约束轴线方向位移；

当两节点所在管段热膨胀引起的推力＜屈服力Fy时，该约束的刚度为+∞，位移＝0；表示为K

当两节点所在管段热膨胀引起的推力≥屈服力Fy时，该约束的刚度为0，位移≥0；表示为K

其中，屈服力Fy＝套筒补偿器摩擦力，其数值参考厂家样册，其与缺省。

以及进一步使节点N

d.竖直方向约束，约束类型为Y，互相约束竖直方向位移；

e.水平侧向约束，约束类型为Z，互相约束水平侧向位移。

另外，套筒补偿器本体材料参考厂家样册，管道内介质种类、运行温度和压力、管道保温材料和厚度等参数，根据工程实际情况输入。

接下来，进行模型导入。

在将S1中的通用模型导入管网模型前，为避免管网模型中出现多个同规格的套筒补偿器时节点编号重复，在每个节点原有6位编号前增加1位编号N

在模型导入时，导入操作为：

1.依次按选工具栏中的“Environment(环境)”和下拉菜单中的“IncludePipingFiles(导入管道文件)”；

2.在对话框中选取本地已保存的通用模型文件，将“Read(可读性)”应改为“Y(可读)”，以确保模型导入后仍可编辑；

3.“Confirm(确认)”。

在通用模型导入管网模型后，通用模型和管网模型仍是互相独立的两个模型，需手动将二者合并，具体操作方法如下：

1.通用模型导入后，其节点N

2.当通用模型的固定端与管网模型端点相连时，将管网的端部节点编号改为N

3.当通用模型的活动端与管网端点相连时，将管网的端部节点编号改为N

4.参考厂家样册所推荐的间距，设置活动端管道的导向支架。

以及，如图2所示，提供以下一具体实施例。

图2所示为规格为DN300的内压平衡型套筒补偿器，厂家样册提供数据：补偿器材质为Q235B，总长度2.5m，摩擦力188.68kN。将其应用于温度为110/70℃的热电厂内采暖管网，管网运行压力为0.9MPa，管道材料为20#钢，规格D325×8，保温材料为离心玻璃棉，保温层厚度80mm；

如图2所示，在通用模型的建立阶段，6位节点编号N

(1)节点300010-300020：直管段(过渡管)，长度400mm；

(2)节点300020-300030：变径段(异径管)，长度100mm；

(3)节点300030-300040：直管段(外套管)，长度800mm；

(4)节点300040-300050：直管段(外套管)，长度800mm；

(5)节点300910-300920：直管段(工作管)，长度800mm；

(6)节点300920-300930：直管段(工作管)，长度400mm；

(7)过渡管规格＝工作管规格＝套筒补偿器所在管段规格＝D325×8；

(8)外套管内径＝工作管外径＝325mm；

(9)外套管外径＝525mm；

(10)L2＝800mm；

(11)L1＝2500mm；

(12)节点300040和300910互相关联，分别建立：

a.竖直方向约束，约束类型为Y，互相约束竖直方向位移；

b.水平侧向约束，约束类型为Z，互相约束水平侧向位移；

c.轴线方向约束，约束类型为X2，双线性约束轴线方向位移；

所在管段热膨胀引起的推力＜屈服力Fy时，该约束的刚度为+∞，位移＝0，K1＝1E+12；

所在管段热膨胀引起的推力≥屈服力Fy时，该约束的刚度为0，位移≥0，K2＝1；

屈服力Fy＝套筒补偿器摩擦力＝188.68kN，其余缺省；

(13)节点300050和300920互相关联，分别建立：

a.竖直方向约束，约束类型为Y，互相约束竖直方向位移；

b.水平侧向约束，约束类型为Z，互相约束水平侧向位移；

(14)套筒补偿器本体材料为Q235B。

其成品通用模型见图3。

需要说明的是，本发明的保护范围还包括规格从DN50至DN1400的21种内压平衡型套筒补偿器的通用模型，这些模型在管网模型中的模拟计算结果已经过验证。