汽輪機蒸汽管道的應(yīng)力分析與設(shè)計

李文輝 延 靜 楊羽華

航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司 蘭州 730050

由于汽輪機屬于轉(zhuǎn)動機器，其轉(zhuǎn)速很高，為了保證汽輪機的長周期平穩(wěn)運行，汽輪機的允許受力限制非常嚴(yán)格。通常受力限制一般由制造廠提出或參照美國電氣制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NEMA SM23[1]。在配管設(shè)計中如果管道的約束點及約束形式設(shè)計不合理，就會造成汽輪機的轉(zhuǎn)動軸不對中，轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙改變，引起機器磨損和振動，進而影響設(shè)備的正常運行，甚至毀壞設(shè)備[2]，因此必須對與汽輪機相接的管道進行強度和安全性評價，主要進行管道應(yīng)力分析、變形分析、管口受力校核。通過安全性評價可以保證汽輪機受力滿足限制要求、裝置安全運行及減少工程投資[3]。

目前，國內(nèi)大部分工程公司均采用CAESARII軟件進行管道應(yīng)力分析[4,5]。CAESARII軟件是由美國 COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析國際權(quán)威的專業(yè)軟件，它既可以進行動力分析，也可進行靜力分析，同時還可以進行壓縮機、汽輪機、加熱爐、空冷器和泵等特殊設(shè)備和機械的管口受力校核[6]。CAESARII具有輸入數(shù)據(jù)簡單，圖形生成和計算結(jié)果直接明了的特點，使用方便快捷。

本文使用CAESARII軟件對某合成氨項目，從界區(qū)到凝汽式汽輪機進口的過熱中壓蒸汽管道進行應(yīng)力分析。

1 CAESARII軟件的應(yīng)用實例分析

1.1 管道的主要參數(shù)

管道介質(zhì)為過熱中壓蒸汽，管道材料為15CrMo，腐蝕裕量1.5mm，管徑為Ф168mm×11.0mm，管道的操作溫度450℃，操作壓力4.5MPa(A)，設(shè)計溫度480℃，設(shè)計壓力5.1MPa(A)，保溫層密度200kg/m3，保溫層厚度120mm，與管道連接的汽輪機蒸汽進口的初始位移見表1。

表1 汽輪機蒸汽進口初始位移 (mm)

1.2 CAESARⅡ軟件應(yīng)力計算

根據(jù)以上條件及管道軸測圖，在CAESARII軟件中建立三維模型，見圖1。

圖1 管道三維模型

支吊架設(shè)計時，在裝置內(nèi)外分界點處(節(jié)點90)設(shè)置固定支架，避免裝置內(nèi)外管道的應(yīng)力互相影響。考慮壓縮廠房內(nèi)管架的生根位置，分別在節(jié)點150和470處設(shè)置支架來支撐管道的重量。一般來說，高溫管道上調(diào)節(jié)閥組的兩個支架中應(yīng)有一個是固定支架，另一個是滑動支架。但為了增大管道的柔性、避免開閥時管道振動幅度過大，本項目在蒸汽管道閥組兩側(cè)(節(jié)點230和390處)分別設(shè)置兩個導(dǎo)向支架。

汽輪機的受力要求非常嚴(yán)格，其管道的支架設(shè)置宜在管道與機器固定點處坐標(biāo)軸的交點位置附近設(shè)置限位支架，見圖2。

圖2 汽輪機管道的支架位置

從而使機器管口的熱膨脹與管道的熱膨脹基本相當(dāng)，減小管道對機器管口的作用力[1]，因為節(jié)點470處已設(shè)置支架，所以在節(jié)點500、560處僅設(shè)置軸向限位架，在節(jié)點530處設(shè)置軸向限位支架。節(jié)點610與650之間的垂直管道較長，垂直位移較大，由于受壓縮機大板預(yù)留孔大小的限制，不能通過改變管道走向來增加其柔性，所以在節(jié)點590處采用彈簧支架，使支架在承受一定載荷的情況下又能允許管系有一定的垂直位移[7]。然后進行程序運算，計算結(jié)果表明該管道的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。設(shè)備管口及支吊架的受力見表2。

表2 設(shè)備管口及支架受力情況

1.3 管系分析與調(diào)整

從表2可知，各節(jié)點的受力均在合理范圍內(nèi)。相對其他節(jié)點來看，節(jié)點470和530處Y向受力較大，這是采用剛性支架的緣故。汽輪機進汽口(節(jié)點650)的Y向受力和X方向力矩相對較大。因制造廠未提出汽輪機的允許受力限制，所以采用NEMA SM23標(biāo)準(zhǔn)來校核汽輪機的管口受力情況。分析結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 汽輪機管口受力校核情況分析結(jié)果界面

由圖3可知，汽輪機進汽口受力未通過校核，作用于汽輪機進汽口Y向的力和Z向的力矩較大。 由圖4可知，汽輪機整體受力也未通過校核，合力

圖4 汽輪機整體受力校核情況分析結(jié)果界面

在X和Y向的力較大，在Y向和Z向的力矩較大。圖3和圖4的共同點都是汽輪機在Y向的受力較大。由圖1可看出，雖然在590處設(shè)置了彈簧支架，但610與650間的垂直管道較長，熱脹推力較大，節(jié)點530處設(shè)置的剛性支架阻礙其膨脹，所以管道作用于汽輪機進汽口的Y向力較大，因此要設(shè)法減小其Y向的受力。將節(jié)點530處的固定支架改為彈簧支架，人工將590處彈簧載荷設(shè)為2500N(見圖5)，然后再進行程序運算。調(diào)整后汽輪機進口的受力情況見表3，用NEMA SM23標(biāo)準(zhǔn)校核的結(jié)果見圖6和圖7。

圖5 調(diào)整后的管道三維模型

將表3中所列數(shù)值與表2中相比，調(diào)整后汽輪機進口Y方向的推力降低了4500N，Z方向的推力降低了1800N， X方向的力矩降低了5000N·m，Y方向的力矩降低了700N·m，Z方向的力矩降低了1800N·m。由圖6和圖7可知，調(diào)整后汽輪機進汽口受力和整體受力校核都已通過。結(jié)果表明：汽輪機入口附近的幾組支吊架采用彈簧支吊架，可以減小因垂直管道的熱膨脹引起的管口熱態(tài)作用力，人為地調(diào)節(jié)其載荷，對改善局部受力狀態(tài)有好處。在汽輪機入口附近設(shè)置一個U型彎，U型彎的每條邊上都設(shè)置限位架，有利于減小汽輪機管口的受力，使其整體受力容易通過校核。

表3 調(diào)整后的設(shè)備管口受力

圖6 調(diào)整后汽輪機進汽口受力校核情況結(jié)果界面

圖7 調(diào)整后汽輪機整體受力校核情況結(jié)果界面

2 結(jié)語

轉(zhuǎn)動機械入口管道的柔性設(shè)計是非常重要的，對裝置的安全運行和經(jīng)濟投資都至關(guān)重要。通過改變管道走向、選用補償器、適當(dāng)增加支吊點和改變支吊架形式等方法來增大整個管系的柔性，可使各支吊點的受力分布均衡，最大限度地減小作用于設(shè)備管口上的推力和力矩。 在條件允許的情況下，應(yīng)考慮采用改變管道走向(設(shè)置L形、U形或П形彎等)和選用彈簧支吊架的方法來增加管道柔性的同時也要避免過分追求管道柔性而造成管系的失穩(wěn)以及管道阻力的增大。因此，在應(yīng)力計算和分析過程中，要多調(diào)整多優(yōu)化，在確保設(shè)備安全運行的基礎(chǔ)上，也要保證管道的抗振能力和管道投資的經(jīng)濟合理性。

參 考 文 獻

1 唐永進. 壓力管道應(yīng)力分析[M]. 北京：中國石化出版社，2003，79-83.

2 毛悠仁等. CAESAR Ⅱ軟件在離心壓縮機配管受力分析的應(yīng)用[J]. 化工生產(chǎn)與技術(shù)，2006，13,(3):39-40.

3 梁 軍. 工業(yè)管道設(shè)計中的應(yīng)力分析[J]. 山西化工，2005，25(4)：79-80.

4 苑 野. 管道應(yīng)力分析——蒸汽透平壓縮機進出口管線設(shè)計[J]. 化工設(shè)計，1998，(1):24-2.

5 劉焰明. CAESAR Ⅱ在壓力容器管口應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J]. 遼寧化工，2010，39,(10):1099-1101.

6 楊羽華等. CAESAR Ⅱ軟件在管道設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 化工設(shè)計，2012，22(3):22-24.

7 岳進才. 壓力管道技術(shù)(第二版)[M]. 北京：中國石化出版社，2009:264-265.