某燃機電站汽輪機蒸汽管道應力分析

張 妍

(航發(fā)燃機(株洲)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

蒸汽管道在敷設和運行過程中，會因為溫度變化發(fā)生熱脹冷縮，若管道受到管支架和其連接設備的約束，在熱脹冷縮過程中將產(chǎn)生熱應力。當熱應力超過一定限度時，將導致管道破裂、支吊架滑落甚至損壞、法蘭泄漏、設備管口變形而無法正常運行等，進而引發(fā)安全事故。因此，對于絕大多數(shù)高溫以及與重要設備(如汽輪機、泵、壓縮機等)連接的管道，在完成配管設計后，需要對其進行應力校核。而管道應力校核過程比較復雜，涉及大量的計算，通常需要借助相關軟件來進行。

本文選取某燃機電站分汽缸至汽輪機段的主蒸汽管道，在根據(jù)設計輸入條件，完成配管設計后，利用優(yōu)易軟件對其進行建模分析。通過計算，了解其各個關鍵點的受力、位移、變形情況，進而對配管設計選型進行調整優(yōu)化，保證該配管設計滿足相關標準安全要求。

1 管道應力計算與結果分析

管道應力分析的一般步驟為：建?！獏?shù)設置—選擇計算工況—應力計算—結果輸出及分析—配管優(yōu)化。大多數(shù)情況下，不可能由計算程序計算一次便得到滿意的結果，通常需要反復調整配管，反復計算，直到結果滿足要求。以下以某燃機電站分汽缸至汽輪機段的主蒸汽管道為例進行闡述。

1.1 計算模型

本管段從分汽缸蒸汽出口一路接至汽輪機主汽門，另一路經(jīng)過減溫減壓裝置接至汽輪機排汽管。其配管應力計算模型如圖1所示。其中，數(shù)字1～9為模型中的節(jié)點號， 1、4、6號節(jié)點設置為導向支架，3號節(jié)點為滑動支座，2、5、7、8號節(jié)點為彈簧支座，9號節(jié)點為剛性彈簧吊架。501代表分汽缸蒸汽出口管口，502代表汽輪機主汽門管口，503代表排汽接管口。

1.2 參數(shù)設置

通常，在建模時，須對整個管系進行參數(shù)設置，主要包括管道的基本技術參數(shù)(設計溫度、設計壓力、材料、管件重量等)、管道端點附加位移、附加力和力矩、設置冷緊、設置其他數(shù)據(jù)(如風荷載數(shù)據(jù)、埋地數(shù)據(jù))等，其中第一、二項為基本項，其他則根據(jù)項目實際情況確定是否需要設置。

本工程利用優(yōu)易AutoPDMS軟件進行建模，對于圖1模型中的標準的管子、管件、閥門，根據(jù)表1中的管道技術參數(shù)直接選用軟件數(shù)據(jù)庫中的模型，對于非標的減溫減壓裝置，則將其作為剛性件進行處理，根據(jù)其外形尺寸單獨建模，輸入廠家提供的設備重量1 300 kg。

圖1 管道應力計算模型

表1 管道技術參數(shù)表

在完成管道基本建模、支吊架設置后，再為每個管道端口設置附加位移，其中本工程中的分汽缸、汽輪機管口位移由廠家提供，具體如表2所示。到此，管道應力計算建模基本完成。

表2 節(jié)點強制位移表

1.3 計算工況

在進行應力計算時，本文通常采用計算軟件推薦的工況組合，也可根據(jù)具體項目增設自定義的工況組合。本工程采取的工況組合如圖2所示。

圖2 計算工況

1.4 計算結果分析

在完成上述步驟后，即可查看管道應力分析的計算結果。

其中，管道應力分析的計算結果主要包括不同組合工況下的一次應力、二次應力、管道對設備的作用力、支吊架受力、管系位移、法蘭受力(主要針對可燃、有毒介質管道)以及彈簧選型等。通常，需要判斷：①一次應力、二次應力是否滿足標準要求。②管道對設備的作用力是否過大，是否滿足設備廠家要求。③支吊架受力是否合理。④管系位移是否過大。⑤法蘭受力是否過大。⑥彈簧選型是否合理，是否滿足載荷變化率要求。

以下選取了本管段的一次應力、二次應力以及汽輪機管口的力和力矩的計算結果進行詳細分析。

1.4.1 一次應力

一次應力[1-2]主要指由重力、壓力等其他外力載荷產(chǎn)生的應力，屬于持續(xù)應力，當其值超過材料的屈服極限時，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。因此，要求計算的管道的一次應力σl不得超過設計溫度下管道材料的許用應力[σ]h，即：

σl≤[σ]h

(1)

式中：σl為管道元件中的一次應力，MPa；[σ]h為管道元件材料在設計溫度下的許用應力，MPa。

本管段計算結果：在SUS(持續(xù)載荷)工況下，管道元件中的最大一次應力σl為47.008 MPa，許用應力[σ]h為122.5 MPa，σl=38.37% [σ]h<[σ]h；得出，一次應力符合要求。

1.4.2 二次應力

二次應力[1-2]主要是指由熱脹、冷縮、附加位移載荷產(chǎn)生的應力，當其值超過材料的許用應力幅度時，將引起管道的疲勞破壞。因此，要求計算的管道的二次應力σH不得超過設計溫度下管道材料的許用應力幅度σα，即：

σH≤σα=f(1.25[σ]L+[σ]h)

(2)

式中：σH為管道元件中的二次應力，MPa；σα為許用應力幅度，MPa；f為在預期壽命內，考慮循環(huán)總次數(shù)影響的許用應力幅度減弱系數(shù)；[σ]L為管道元件材料在20℃的許用應力，MPa；[σ]h為管道元件材料在設計溫度下的許用應力，MPa。

本管段計算結果：在EXP(純熱態(tài)載荷)工況下，管道元件中的最大二次應力σl為153.361 MPa，其許用應力[σ]h為298.666 MPa，σl=51.34% [σ]h<[σ]h；得出，二次應力符合要求。

1.4.3 管道對設備的作用力

管道對設備的作用力主要指管道在運行過程中，作用在其連接的設備管口的力和力矩。當其超過一定限值時，會導致設備管口變形甚至損壞，進而導致設備無法正常運行，因此，要求設備管口的力和力矩應滿足設備廠家或標準的要求。

本工程汽輪機的管口力和力矩要求由汽輪機廠家給出，具體為：汽機主汽門：Fr+1.09Mr<5 833；汽機排汽口：Fr+1.09Mr<9 785。

本管段計算結果：在OPE(操作狀態(tài))工況下，各管口的受力值如表3所示。

表3 管道端點推力和推力力矩表

根據(jù)表3中的計算結果，502管口即汽機主汽門口，F(xiàn)r+1.09Mr=4 686<5 833；503管口即汽機排汽口，F(xiàn)r+1.09Mr=5 460<9 785。得出，汽輪機管口的受力條件符合汽輪機廠家的要求。綜上所述，本配管設計方案基本可行。

2 結語

汽輪機主蒸汽管道的合理布置對于汽輪機甚至整個燃機電站的安全運行起著至關重要的作用，因此在完成配管設計后，利用管道應力分析來進行校核是非常有必要的。然而，對于好的配管設計而言，不能僅僅以管道應力計算結果為評判，更應根據(jù)項目的實際情況，在管道應力計算結果滿足標準要求的前提下，盡可能使管道材料、壁厚、壓力等級、支吊架、膨脹節(jié)等的選用達到經(jīng)濟最優(yōu)，盡可能利用管道自然膨脹，盡可能減少彈簧支吊架的選用，在合理范圍內降低工程成本和安裝難度。