CAESARⅡ在火電廠蒸汽管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用

鄭明秀

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130022）

·探索應(yīng)用·

CAESARⅡ在火電廠蒸汽管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用

鄭明秀

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130022）

以某電廠主蒸汽管道為例，介紹了采用CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件對(duì)電廠高溫、高壓蒸汽管道進(jìn)行應(yīng)力分析的方法，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員有一定的參考價(jià)值。

CAESAR II；火電廠；應(yīng)力分析；蒸汽管道

近年來(lái)，我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展迅速，火電廠單元機(jī)組容量和參數(shù)都不斷提高，致使火電機(jī)組汽水管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。管道的應(yīng)力分析應(yīng)保證管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支撐或端點(diǎn)附加位移造成應(yīng)力問題［1，2］。目前，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院使用比較多的是GLIF管道應(yīng)力計(jì)算軟件；國(guó)外軟件使用比較多的是CAESAR II、美國(guó)AEC Croup公司的CADpipe，美國(guó)AAA公司的Triflex等軟件。其中，CAESAR II軟件是進(jìn)行管道靜力分析和動(dòng)力分析的專用程序，功能比較齊全，可考慮管道的非線性約束，如管道與支架間的摩擦力、限位支架的間隙等，通過計(jì)算可得出設(shè)備管口受力、管架受力、管道一和二次應(yīng)力、法蘭受力、彈簧規(guī)格（如有彈簧支架）、管道各節(jié)點(diǎn)位移以及管道振動(dòng)頻率等［3］。

1 主蒸汽管道的應(yīng)力分析

一般來(lái)說(shuō)，電廠熱力管道管系多為三維空間走向，由一條或多條主管及數(shù)條支管組成，使用CAESAR II進(jìn)行應(yīng)力分析之前需根據(jù)管道參數(shù)及走向建立管道應(yīng)力分析的三維模型，以某電廠10號(hào)機(jī)組主蒸汽管道為例，設(shè)計(jì)溫度571℃，設(shè)計(jì)壓力25.5MPa，材質(zhì)A335P91，管道保溫厚度220mm、保溫材質(zhì)硅酸鋁及巖棉，建立三維模型如圖1。

1.1 管道承受荷載的確定

管道上所能承受的荷載大致可以分為4類。

1）壓力及溫度載荷，熱力管道可能在幾組不同的壓力和溫度條件下運(yùn)行，在CAESARII中最多可以設(shè)置9種溫度及壓力，進(jìn)行支吊架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)最不利的一組條件進(jìn)行計(jì)算，以便管道在最危險(xiǎn)的工況下能滿足條件。

圖1 主蒸汽管道三維模型及節(jié)點(diǎn)分布Fig.1 Three dimensional model of main steam pipe and joint distribution

2）持續(xù)外載，包括管道的基本載荷（管道及其附件的重量、管內(nèi)介質(zhì)重量、管外保溫重量等）、支吊架反力、以及其它均布或集中的持續(xù)外載。

3）熱脹及端點(diǎn)附加位移管道由安裝狀態(tài)過渡到運(yùn)行狀態(tài)，由于管內(nèi)介質(zhì)溫度變化，熱脹冷縮使管道發(fā)生形變；與設(shè)備相連接的管道，由于設(shè)備的溫度變化，而出現(xiàn)端點(diǎn)的附加位移，從而對(duì)管道產(chǎn)生約束，使管道發(fā)生形變。

4）偶然載荷，包括風(fēng)雪荷載、地震荷載、流體沖擊以及安全閥動(dòng)作等產(chǎn)生的沖擊荷載［4，5］。

1.2 荷載工況

在進(jìn)行靜力分析時(shí)，如沒有特殊要求，即可選用CAESARII推薦的工況，OPE工況、SUS工況和EXP工況。

OPE工況為運(yùn)行熱態(tài)工況計(jì)算管端熱態(tài)推力，以校驗(yàn)端點(diǎn)（設(shè)備）的承受能力，也可計(jì)算支吊點(diǎn)上的運(yùn)行熱態(tài)荷載。

SUS工況為持續(xù)荷載工況計(jì)算管系的持續(xù)荷載應(yīng)力，作為一次應(yīng)力校驗(yàn)的依據(jù)。

EXP工況為膨脹荷載工況以前兩工況的位移差，計(jì)算支吊點(diǎn)的熱位移，和從熱態(tài)到冷態(tài)的應(yīng)力差，作為二次應(yīng)力校驗(yàn)的依據(jù)。

1.3 應(yīng)力分析結(jié)果

經(jīng)檢查無(wú)誤后，可運(yùn)行分析，分析后結(jié)果在靜態(tài)輸出器中顯示。主蒸汽管道支吊點(diǎn)運(yùn)行熱態(tài)荷載及彈簧設(shè)計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)端點(diǎn)推力、各管段一次應(yīng)力、二次應(yīng)力最大值如表1、表2、表3所示。

表1 支吊點(diǎn)運(yùn)行熱態(tài)荷載、彈簧設(shè)計(jì)及熱位移表（部分）Tab.1 Table of operating thermal load，spring design and thermal displacement meter（part）

表2 運(yùn)行熱態(tài)端點(diǎn)推力表Tab.2 Running hot end point thrust table

表3 主蒸汽一次應(yīng)力、二次應(yīng)力表Tab.3 Table of first，second stress of main steam

2 偶然荷載分析

靜力分析通過后對(duì)主蒸汽管道進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析。

2.1 安全閥排汽反力分析

鍋爐廠提供主蒸汽管道上的安全閥排汽反力及節(jié)點(diǎn)如表4所示.

表4 排汽反力大小及節(jié)點(diǎn)號(hào)Tab.4 the size and the number of antiforce of exhaust steam

以節(jié)點(diǎn)701為例，生成頻譜曲線圖，如圖2。

圖2 701節(jié)點(diǎn)排汽閥反力與時(shí)間的響應(yīng)頻譜Fig.2 Response spectrum of the exhaust valve anti force and time of 701 node

設(shè)置對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)所受安全閥排汽反力的大小、方向，假設(shè)安全閥同時(shí)開啟，偶然載荷工況設(shè)為D1。

2.3 汽錘力分析

經(jīng)汽錘力專用計(jì)算軟件計(jì)算該主蒸汽管道的汽錘力后，其大小及作用節(jié)點(diǎn)如表5所示。

壓力波達(dá)到極值時(shí)間選為閥門完全關(guān)閉時(shí)間0.15 s，汽錘力的持續(xù)時(shí)間用以下公式計(jì)算：t＝L／c（1）式中，L為相鄰彎頭—彎頭對(duì)之間的距離；c為壓力波傳播速度。

表5 汽錘力大小及節(jié)點(diǎn)號(hào)Tab.5 Hammer force and node number

根據(jù)閥門關(guān)閉時(shí)間及汽錘力持續(xù)時(shí)間建立力與時(shí)間的響應(yīng)頻譜，以節(jié)點(diǎn)2118為例，見圖3。

圖3 2118節(jié)點(diǎn)汽錘力與時(shí)間的響應(yīng)頻譜Fig.3 The response spectrum of hammer force and time of 2118 node

設(shè)置相應(yīng)節(jié)點(diǎn)所受汽錘力大小、方向，偶然工況設(shè)為D2。在進(jìn)行管道的動(dòng)態(tài)分析時(shí)可以進(jìn)行多種工況的組合，例如D1與D2組合，D1與OPE工況組合等等，為了使支吊架在最不利的一組工況中也能符合條件，計(jì)算時(shí)選擇D1與D2同時(shí)作用，與OPE工況結(jié)合計(jì)算操作狀態(tài)的支吊架荷載，與SUS工況結(jié)合計(jì)算偶然應(yīng)力作為驗(yàn)證是否符合應(yīng)力規(guī)范的依據(jù)。主蒸汽管道偶然工況下阻尼器荷載見表6。

表6 阻尼器受力計(jì)算結(jié)果表Tab.6 Results of force calculation of damper

3 結(jié)論

本文討論了采用CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件進(jìn)行火電廠高溫高壓管道應(yīng)力分析的一般模式以及應(yīng)力分析計(jì)算中可能遇到的問題與解決方法；使用CAESARⅡ軟件可以計(jì)算管道的固有頻率，應(yīng)用頻譜分析的方法來(lái)分析管道的動(dòng)態(tài)載荷如安全閥排汽反力、汽錘力、風(fēng)荷載、地震荷載等，結(jié)果較準(zhǔn)確，同時(shí)還能顯示管道的各個(gè)振型，對(duì)管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)有很大幫助。應(yīng)力計(jì)算對(duì)支吊架的選型尤其重要，它的重點(diǎn)在于保證各種輸入的正確性以確保輸出的正確合理。如果輸入邊界條件等參數(shù)存在錯(cuò)誤，將會(huì)對(duì)輸出結(jié)果造成很大的影響。

［1］鄭軍.高溫高壓蒸汽管道動(dòng)態(tài)分析［J］.電力能源，2009，35：793－794

［2］閆思江，楊金凱，趙劍波.供熱管道熱損失有限元分析［J］.河南科學(xué)，2013，（9）：1432－1434.

［3］李超，彭喜魁，劉洪仁.ASME B31.3與空分裝置冷箱內(nèi)管道應(yīng)力分析［J］.化工機(jī)械，2015，（3）：308－310.

［4］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2003

［5］張鵬.火電廠汽水管道動(dòng)態(tài)荷載［J］.廣東科技，2006（11）：86－87

Stress Analysis of Steam Pipe in Power Plant Based on CAESAR II

ZHENG M ing－xiu

（China Power Engineering Consulting Group，Northeast Electric Power Design Institute Co.，Ltd.Changchun 130022，China）

Taking a power plantmain steam pipeline as an example，this paper analyzes themethod of stress analysis for the high temperature and high pressure steam pipeline of power plantby CAESAR IIstress analysis software，itwould have a reference value for engineering design personnel.

CAESAR II；unit set；stress analysis；main steam pipe；

TM621

A

1004-275X（2015）06-0058-04

收稿：2015－10－15

鄭明秀（1984－），男，朝鮮族，碩士，從事火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)及三維設(shè)計(jì)軟件的相關(guān)研究工作。

10.3969／j.issn.1004-275X.2015.06.015