CAESARⅡ軟件在汽輪機抽汽管道布置中的應用

【摘要】介紹管道應力分析的目的及CAESARⅡ軟件，使用CAESARⅡ軟件對汽輪機至低壓加熱器的抽汽管道進行了應力分析計算，并指出了管道應力分析需注意的問題。

【關鍵詞】CAESARⅡ軟件；應力分析；管道

隨著國家對鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的要求不斷提高，鋼鐵企業(yè)余熱余能利用技術的不斷發(fā)展，余熱余能利用的重要設備汽輪發(fā)電機組的規(guī)模和參數(shù)也不斷提高，汽水管道系統(tǒng)的設計也更加復雜，對汽水管道應力分析的重視程度不斷增加。CAESARⅡ軟件是國際公認的專業(yè)管道應力分析軟件，在鋼鐵、電力、石化等行業(yè)有著廣泛應用。使用CAESARⅡ軟件可以對汽水管道進行有效地應力分析計算。本文以某鋼廠富余煤氣發(fā)電項目抽汽蒸汽管道為例，介紹使用CAESARⅡ軟件對其進行應力分析的方法。

1、管道應力分析的目的

管道應力分析工作在鋼鐵、電力、石化等行業(yè)設計中具有十分重要的位置，它對安全生產(chǎn)、優(yōu)化設計、節(jié)約材料等方面均具有十分重大的作用[1]。在許多國外項目及國內(nèi)重點項目中，都對管道應力分析提出了硬性要求。為適應不斷發(fā)展的設計工作的需要，許多設計單位引進了管道應力分析軟件CAESARⅡ。

管道應力分析是壓力管道設計的重要內(nèi)容，其目的是對管道進行包括應力計算在內(nèi)的力學分析，并使分析結果滿足標準規(guī)范的要求，從而保證管道自身和與其連接的機器、設備、土建結構在各種載荷工況下的安全。管道應力分析可以劃分為靜力分析和動力分析兩部分。靜力分析是指在靜力荷載的作用下對管道進行力學分析，并進行相應的安全評定，使之滿足標準規(guī)范的要求。動力分析則主要指往復壓縮機和往復泵管道的震動分析、管道的地震分析、水錘和沖擊荷載作用下管道的震動分析，其目的是使地震和震動的影響得到有效控制[2]。

2、CAESARⅡ軟件簡介

CAESARⅡ軟件是由美國COADE公司研發(fā)的壓力管道應力分析專業(yè)軟件。它既可以進行靜態(tài)分析，也可以進行動態(tài)分析。CAESARⅡ軟件向用戶提供完備的國際上通用的管道設計規(guī)范，軟件使用方便快捷。

CAESARⅡ軟件具有以下特點：

（1）輸入和建模：交互式數(shù)據(jù)輸入、圖形輸出，使用戶可直觀查看模型（單線、線框、實體圖）的3D計算結果圖形分析功能；豐富的約束類型，對邊界條件提供最廣泛的支撐類型選擇；多任務批處理，自動的埋地管道建模等功能。

（2）靜態(tài)分析：一次應力和二次應力，彈簧設計，埋地管設計，膨脹節(jié)選用等。

（3）動態(tài)分析：模態(tài)分析，時程效應，基震頻率，安全閥泄放等。

（4）輸入輸出：圖形及Word格式報告直接生成與工廠設計軟件的接口，如AutoCAD，PDMS雙向無縫接口[3]。

3、CAESARⅡ軟件應用案例分析

使用CAESARⅡ軟件對某鋼廠富余煤氣發(fā)電項目汽輪機至低壓加熱器抽汽管道進行應力分析。

3.1管道的主要參數(shù)

管道介質(zhì)為蒸汽，管道的材質(zhì)為ASTM A106-B，設計壓力為0.85MPa，設計溫度為250℃。管道材質(zhì)在250℃的線膨脹系數(shù)為12.45×10-6mm（mm﹒℃）-1，在20℃的基本許用應力為131MPa，在250℃下的基本許用應力為125MPa；管道的管徑為Φ426mm×9mm、Φ325mm×8mm，保溫層厚度分別為145mm、140mm，保溫層密度為220kg/m3。

根據(jù)汽輪機設備廠家的資料，與管道連接的設備管口初始熱位移如下：汽輪機出口1（節(jié)點號：5），ΔX=±0.37mm、ΔY=-1.2mm、ΔZ=0.56mm；汽輪機出口2（節(jié)點號：110），ΔX=±0.37mm、ΔY=-1.2mm、ΔZ=0.56mm；低壓加熱器進口（節(jié)點號：220），ΔX=-0.2mm、ΔY=-0.1mm、ΔZ=0mm。

通過對配管方案進行建模并應力分析計算，驗證管道路由及管道支吊架布置的合理性。計算中管道標準采用美國的ASME B31.3標準。

3.2管系布置與三維建模

根據(jù)以上管道條件及相關工程經(jīng)驗布置管道路由，在CAESARⅡ軟件中建立管道模型，如圖1所示。

管道路由：蒸汽從汽輪機抽汽管道管口5、110引出，管徑均為Φ325×8，兩根管道繞過管口下部的冷凝器匯成一根Φ426×9管道，繞過汽機運行層吊裝孔，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥、水封閘閥進入低壓加熱器。

管道柔性設置：由2.1可知，汽輪機抽汽管道出口在-Y方向有較大的初始熱位移，為減小汽輪機管口的受力，汽輪機出口的管道考慮柔性設計。由圖1可知，汽輪機抽汽管道若在X方向上直管道進入低壓加熱器，會因熱膨脹對低壓加熱器管口造成較大推力，因此對低壓加熱器進口管道考慮柔性設計。

支吊架設置：由于汽輪機抽汽管道出口在-Y方向有較大的初始熱位移，所以在汽輪機抽氣管道出口管道節(jié)點30、70處設置彈簧支吊架，降低汽輪機管口的受力。由圖1可知，節(jié)點155處的管道支吊架支撐的水平管道在前后各有一段立管，立管在熱態(tài)運行時會產(chǎn)生垂直方向熱膨脹，如此處設置剛性支吊架，會導致管托脫開不受力或者受力過大影響管系安全，因此在此節(jié)點處設置彈簧支吊架。同時在節(jié)點195處設置剛性支吊架。上述支吊架的設置均考慮到了受力和跨距的要求，且布置上均利用了廠房內(nèi)的梁、柱、平臺。

3.3管系應力計算及分析

根據(jù)汽輪機設備廠家的資料，汽輪機抽汽管口許用荷載如下：節(jié)點5允許受力Fx=4000N、Fy=4000N、Fz=4000N，允許力矩Mx=5000N·m、My=5000N·m、Mz=5000N·m；節(jié)點110允許受力Fx=4000N、Fy=4000N、Fz=4000N，允許力矩Mx=5000N·m、My=5000N·m、Mz=5000N·m。

低壓加熱器設備管口（節(jié)點：220）的許用荷載參考《化工裝置管道機械設計技術規(guī)定（HG/T20645.5）》中的規(guī)定：允許受力Fx=31556N、Fy=25540N、Fz=25540N，Mx=80017N·m、My=56576N·m、Mz=56576N·m。

經(jīng)過CAESARⅡ軟件計算，計算結果表明該管系的一次應力、二次應力均符合標準規(guī)范的要求。設備管口及支吊架的受力情況見表1。

由表1的計算結果可知，汽輪機抽汽管道出口節(jié)點5、110的受力和力矩均滿足汽輪機設備廠家資料對汽輪機設備管口許用荷載的要求；低壓加熱器設備管口受力也符合HG/T 20645.5要求。節(jié)點30、70、155處的彈簧支吊架的在Y方向（垂直方向）位移分別為-2.06mm、-9.92mm、11.02mm，表明上述幾處管道有較大的熱位移，但是上述支吊架受力與冷態(tài)相比相差不大，說明彈簧支吊架的設置，降低了管道因熱膨脹產(chǎn)生的受力。節(jié)點195處的剛性支吊架，受力也在合理的范圍內(nèi)。由此可見，該管系的路由、柔性布置、支吊架設置是合理的。

4、應力分析需要注意的問題

根據(jù)上述蒸汽管道應力分析案例，在管道建模及應力分析的中應注意以下幾點問題：

（1）保證初始數(shù)據(jù)、單位輸入正確性，以免帶來不必要的修改。

（2）根據(jù)設備布置、平臺、梁、柱合理的選擇管系路由，布置管道支吊架，通過在設備管口增加管道柔性設計減小管口受力，通過合理設置彈簧支吊架減小設備管口及管道的受力，保證設備及管道系統(tǒng)的安全。

（3）應力分析應考慮施工中可能出現(xiàn)的偏差，留有一定的余量。

5、結語

利用CAESARⅡ軟件對汽輪機蒸汽管道進行應力分析可以減少設計人員的工作量，計算結果準確，在工程設計中采用，不但可以保證設備、管道系統(tǒng)的安全運行，還可以優(yōu)化設計、減少投資。在管道的應力分析過程中，要綜合考慮介質(zhì)工況、管系路由、管道材質(zhì)等多方面條件，在不斷的調(diào)整、計算中來優(yōu)化管道布置。CAESARⅡ軟件在鋼鐵設計行業(yè)的推廣使用，對于推進我國節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展，有著積極的意義。

參考文獻

[1]Technical Reference Manual[M].北京：北京艾思弗計算機軟件技術有限責任公司，2000.

[2]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2009.

[3]宋岢岢.壓力管道設計及工程實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.