應力分析軟件在汽輪機管線中的應用

陳星群(珠海巨濤海洋石油服務(wù)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518000)

應力分析軟件在汽輪機管線中的應用

陳星群(珠海巨濤海洋石油服務(wù)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518000)

本文重點介紹了在汽輪機蒸汽管線設(shè)計中應用CAESARⅡ應力分析軟件進行應力分析與計算的過程，對于不同的支吊架設(shè)置以及管道的走向設(shè)計方案進行優(yōu)化進而得到最優(yōu)設(shè)計方案，能夠符合NEMA SM23的標準要求。

應力分析軟件；CAESARⅡ；汽輪機；蒸汽管道

在管線的設(shè)計過程中，應力分析具有非常重要的作用。通過應用應力分析軟件可以在管線應力分析中比較精確的進行計算，防止出現(xiàn)安全問題。CAESARⅡ是應用比較廣泛的應力分析軟件，本文對這一軟件的應用作了具體探究。

1 CAESARⅡ軟件的工作模式分析

CAESARⅡ軟件在進行應力分析時，主要可以分為四個過程：編制節(jié)點，上機建模，分析運算和調(diào)整優(yōu)化。在這四個過程中編制節(jié)點主要是將整個管道系統(tǒng)進行劃分，劃分為一些獨立單元后進行三維建模。這樣就將管道系統(tǒng)的受力分析轉(zhuǎn)化為了簡單的數(shù)學模型[1]。隨后，在管道系統(tǒng)的邊界條件問題分析上，軟件會對位移、支吊架以及管口等問題進行具體的模擬，并對模擬結(jié)果進行運算和判定。在應用應力分析軟件進行應力分析時，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是要保證分析結(jié)果符合相關(guān)的判定標準，以便于對管道設(shè)計進行調(diào)整和優(yōu)化。

2 CAESARⅡ軟件在汽輪機管線中的應用分析

(1)機組與材料參數(shù)分析 以某汽輪機為例，該汽輪機的蒸汽管道設(shè)計要求參數(shù)為420℃，5.0MPa，該蒸汽管道的材料設(shè)計為15CrMo，根據(jù)所提供的參數(shù)設(shè)計以下三種方案：

方案一：將配管所專業(yè)提供的原管道的走向全部更換為剛性的支架；方案二:在保持方案一的基礎(chǔ)上，將汽輪機入口處的剛性支架換為彈簧吊架；方案三：將原管道的走向進行改動，重新設(shè)置配管方案優(yōu)化支架和吊架。

對以上三種配管設(shè)計方案進行應力分析，并對汽輪機和管道所承受的應力進行計算，選擇最優(yōu)的設(shè)計方案。

(2)方案一的受力分析

圖1 原管道走向三維軸測圖

如圖1所示，在汽輪機的原管道走向中，蒸汽會從邊界區(qū)10點處進入，由于此邊界的參數(shù)設(shè)置為固定的支架，所以蒸汽會經(jīng)過兩道的切斷閥之后進入到290點。為了滿足這一過程中的受力和跨距的要求，可以在中間設(shè)計剛性的承重點，比如30點、150點等。

據(jù)此可以提供設(shè)計方案：將原配管汽輪機入口230點附近的承重支架設(shè)計成剛性支架。對該方案進行驗證，應力最大值(90點)在ASMEB31.3的許用應力中占65.1%，第二次應力最大值(240點)在許用應力中占比123.4%，不符合設(shè)計標準[2]。由此可以分析得出導致出現(xiàn)超標的主要原因是位于230點的剛性支架，由于該剛性支架導致設(shè)備管口處剛性過大，產(chǎn)生了完全相反的作用力，致使管口處的應力超過標準。

(3)方案二的受力分析 在方案二中，主要是將方案一中的汽輪機入口處剛性支架改為彈簧吊架，其他因素不變。對于該方案進行受力分析可以發(fā)現(xiàn)，一次應力最大值(90點)在SAME B31.3中所占的許用應力為56.4%，而二次應力最大值(10點)在許用應力中所占的比例為36.9%，符合設(shè)計標準。但是對汽輪機管口(290點)的應力進行分析占比233.8%，不符合設(shè)計標準。

因此將230點更換為彈簧吊架后雖然改善了290點附近的應力，但是管道配管存在問題，而依靠單純的自然補償又無法消除管口的熱位移，這就造成管口的力矩發(fā)生變形，最終導致290點承受的應力超出設(shè)計標準，所以仍然需要進一步優(yōu)化。

(4)方案三的受力分析 在方案三的設(shè)計方案中，對原管道走向進行重新設(shè)計并在管道與機器固定點交叉的位置設(shè)置限位支架，這樣可以有效的防止管口發(fā)生熱膨脹或者管道熱膨脹現(xiàn)象。同時在圖1中240點位置增設(shè)X向止推，在210點位置增設(shè)Z向止推，并將280點位置更換為彈簧[3]。這樣對受到的應力進行驗證發(fā)現(xiàn)，一次應力最大值和二次應力最大值分別占許用應力的55.5%和35.4%，而調(diào)整后的汽輪機管口330點的應力值占許用應力的39.8%，全符合相關(guān)設(shè)計標準。

3 對三種方案的比較與分析

通過對以上三種設(shè)計方案進行應力分析可以發(fā)現(xiàn)，第一次應力最大值沒有明顯差別，但是第二次應力最大值差異明顯，這表明了將汽輪機入口處的支架更換為彈簧吊架是合理的。而根據(jù)方案一和方案二對管口處的應力所占的許用應力進行計算，分別高達1870.8%和233.8%，都不符合設(shè)計標準，而方案三管口處所占的許用應力值為39.8%，符合相關(guān)設(shè)計標準。

所以，綜合以上三種設(shè)計方案，方案三是最優(yōu)化的設(shè)計方案。

[1]趙靜一,邢一東,毛煒,陳作強.汽輪機主蒸汽管道的多工況應力分析[J].化工設(shè)備與管道,2014,06:62-67.

[2]邢一東,毛煒,杜江,喬艦,廣翠.CAESARⅡ軟件在汽輪機蒸汽管道布置中的應用[J].化工設(shè)備與管道,2014,03:78-81.

[3]陳臘民,李錄平,黃志杰.電站汽輪機組循環(huán)水管應力分析軟件的開發(fā)與應用[J].電站系統(tǒng)工程,2014,03:33-35.