冷紧就是在安装状态下对管道施加应变,以改变操作状态下的应变结果的方法。通常,通过预加载荷以调整(减少)操作状态下的设备荷载。在 CAESAR II 中,可以通过使用荷载工况定义中的 CS 变量来向静态荷载工况中指定冷紧。
切短冷紧(也叫冷拉)就是在安装时预留一个间隙,需在管道上施加初始拉伸荷载才能使端点闭合。加长冷紧(也叫冷推)就是在安装时预留一个重叠量,需在管道上施加初始压缩荷载才能使端点闭合。初始间隙或重叠量分别选用切短冷紧材料或加长冷紧材料模拟。对于荷载工况定义中包含 CS 的荷载工况,CAESAR II 将切短冷紧单元缩短为零,而将加长冷紧单元长度加倍。
初始冷紧很难精确实施——当然对于蠕变范围内工作的管系也是如此,其长期影响难以控制或预测。由于冷紧系统的准确安装难度较大,大多数管道规范建议在评估设备荷载时,只采用三分之二的设计冷紧量进行设备荷载计算。B31.3 还为规定在进行设备荷载评估时不得超过设计冷紧量的三分之四。
在没有中间约束的简单的线性系统中,可以使用以下公式计算冷紧单元的长度(忽略设备尺寸变化):
Ci = xLia dT
式中:
Ci = i 向冷紧长度;式中 i 指 X、Y 或 Z(英寸)
Li = i 向发生膨胀的管道总长(英寸)
a = 环境温度和工作温度之间的材料平均热胀系数(in/in/°F)
dT = 温度变化值(°F)
x = 冷紧百分比
x = 0% 时,无冷紧,操作荷载下的热应变不减小。x = 100% 时,操作荷载下无热应变,所有预期管道应变在管系的安装状态下实现。x = 50% 时,安装荷载和操作荷载下平均分配管道应变。该冷紧百分比(x)不同于之前所述的三分之二限值。
冷紧对应力计算无影响,因为管道规范的膨胀应力需评价应力范围,该范围不受冷紧影响,但对于可能存在非线性边界条件的情况除外,具体参见下文。冷紧可调整安装载荷、操作载荷和应力平均值,但不能改变大多数膨胀应力计算中所用的应力范围。
冷紧注意事项
使用冷紧时必须考虑一些因素:
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确认冷紧引起的设备管嘴冷态反作用力不超过管嘴的许用值。
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确认膨胀应力范围不包括冷紧的直接影响(换句话说,不要使用具有冷紧的操作状态和没有冷紧的安装状态之差来计算膨胀应力范围)。
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确认冷紧值/公差远远大于装配公差。这与前面提到的三分之二和三分之四的限值有关。
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对于用冷紧减小设备操作荷载的高温工况,使用热态弹性模量也可能显著影响荷载值。
然而,请记住,软件在膨胀应力范围的应力计算中是不考虑热态模量。而这些可用于评估设备荷载(非系统应力)的附加荷载工况,能够包括所考虑温度下的弹性模量。
冷紧的建模设计
将冷态间隙或重叠量分别定义为切短冷紧或加长冷紧材料单元(分别对应于 CAESAR II 中的材料 18 和 19)。实现的方法有两种:
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对设计冷紧进行全长度建模。
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重置冷紧单元后续的单元材料属性。
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对冷紧单元的设计冷紧长度进行全长度建模。
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运行以下荷载工况,以分析冷紧系统:
荷载工况 1(OPE)
W+T1+P1+CS 包括所有设计条件的冷紧
荷载工况 2(OPE)
W+P1+CS 包括除温度以外所有设计条件的冷紧。
荷载工况 3(SUS)
W+P1 用于规范应力检查的持续工况
荷载工况 4(EXP)
L1-L2 用于规范应力检查的膨胀工况。
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考虑实际冷紧变化(既考虑三分之二也考虑三分之四的限值),在校验设备工作荷载时,可使用以下荷载工况。可以为安装荷载变化定义额外的荷载工况。
荷载工况 1(OPE)
W+T1+P1+CS 包括所有设计条件的冷紧
荷载工况 2(OPE)
W+P1+CS 包括除温度以外所有设计条件的冷紧。
荷载工况 3(SUS)
W+P1 用于规范应力检查的持续工况
荷载工况 4(EXP)
W+T1+P1+0.66 CS (使用热态模量)
荷载工况 5 (OPE)
W+T1+P1+1.33 CS (使用热态模量)
荷载工况 6 (EXP)
L1-L2 用于规范应力校核的膨胀工况。
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对设计冷紧长度的 2/3 建模。
作为之前设计的变化,对三分之二的设计冷紧长度进行建模,并使用以下荷载工况:
荷载工况 1(OPE) |
W+T1+P1+1.5 CS 包括所有的冷紧设计条件 |
荷载工况 2(OPE) |
W+P1+1.5 CS 包括除温度以外所有冷紧的设计条件。 |
荷载工况 3(SUS) |
W+P1 用于规范应力检查的持续工况 |
荷载工况 4 (OPE) |
W+T1+P1+CS(使用热态模量) |
荷载工况 5 (OPE) |
W+T1+P1+2 CS(使用热态模量) |
荷载工况 6 (EXP) |
L1-L2 用于规范应力检查的膨胀工况。 |
冷紧的其他应用
冷紧通常用于减小设备和约束荷载(参见上文),但也可用于在较少的工作循环中加速管系的热安定性。