CaesarⅡ與Glif對高溫高壓管道靜力分析的比較

王 靜，徐 蕾

(江蘇省電力設計院，江蘇南京211102)

國內火電設計中普遍使用的管道應力分析軟件是東北院開發的Glif軟件，隨著火電機組參數和容量的不斷提高，越來越多的設計院引進了國際上較為流行的CaesarⅡ軟件進行靜力和動力分析。江蘇華電句容2×1000 MW工程主蒸汽管道和高壓旁路閥門前管道的設計溫度為610℃，設計壓力為29.67 MPa，工作溫度為605℃，工作壓力為28.245 MPa，管道材料為A335P92。低溫再熱蒸汽管道和高壓旁路閥門后管道的設計溫度為390.8℃，設計壓力為29.67 MPa，工作溫度為370℃，工作壓力為6.303 MPa，管道材料為A6911-1/4CrCL22。為了更好了解CaesarⅡ與Glif靜力計算結果的差異，以江蘇華電句容發電有限公司一期（2×1000 MW）工程的主蒸汽管道為實例，對主蒸汽管道應力計算結果進行了分析比較。

1 建模

分別使用Glif與CaesarⅡ軟件對管系進行建模。因Glif軟件的應用較為廣泛，這里不再贅述。CaesarⅡ軟件的建模主要依據 《CaesarⅡUser's Guide》、 《CaesarⅡ Application Guide》、 《CaesarⅡTechnical Reference》。CaesarⅡ內含的數據庫[1]比較豐富，在建模過程中要注意初始條件的設置：如選擇正確的應力驗算規程、選用或編制合適的單位表、設置通用的坐標軸系等。

使用CaesarⅡ軟件所建主蒸汽、高壓旁路和低溫再熱蒸汽管道的模型如圖1所示，主蒸汽管道各支吊點布置如圖2所示。CaesarⅡ軟件較Glif軟件有更直觀的輸入界面，并能實時三維顯示，一定程度上避免了輸入錯誤，而且管道屬性可以繼承，建模快捷。

2 計算結果分析比較

2.1 冷熱位移比較

圖1 主蒸汽、高壓旁路和低溫再熱蒸汽管道模型

圖2 主蒸汽管道各支吊點布置

管道冷位移是管道安裝完成后相對于設計線產生的位移，主要由管道自重及外力的共同作用產生，受管道剛度及彈簧剛度的影響。管道熱位移是在冷態的基礎上考慮了溫度及端口熱位移的影響所產生的位移。左側主蒸汽管道上的支吊點的冷熱位移如表1所示，右側管道情況基本相似。可以看出，Glif軟件得出的冷、熱位移與CaesarⅡ軟件得出的冷、熱位移值大小基本吻合。

需注意的是Glif中給出的熱位移是從冷態到熱態的相對位移，對應CaesarⅡ中的結果應該是膨脹荷載工況（EXP，考慮溫度和附加位移）下的位移，這里很容易把CaesarⅡ中運行熱態工況（OPE，考慮自重、溫度、附加位移、壓力和集中力）下的位移與Glif中的熱位移等同起來，OPE工況下的熱位移是從設計態到熱態的絕對熱位移。

表1 左側支管冷熱態位移

2.2 端口推力比較

Glif在計算初熱端口推力時采用熱態彈性模量。而CaesarⅡ默認的熱態OPE工況采用的是冷態彈性模量，這與實際情況不符，計算的結果相對保守，在小機組和小管道上采用會更偏安全；但對于1000 MW的四大管道來說，采用冷態彈性模量計算勢必要增加管道的柔性才能保證接口推力在允許的范圍內，導致了建設成本的增加，是不經濟的[2]。針對這種情況，江蘇院孫國模高工提出了修改建議[3]，COADE公司在CaesarⅡ5.0以上的版本都提供了用戶選用熱態彈性模量進行計算的方法。在該次計算中，添加了一個采用熱態彈性模量的OPE熱態工況，用于熱態端口推力的計算。冷熱態接口推力計算結果如表2、表3所示。

從表2可以看出，除了冷態時過熱器出口（10010點）的計算結果力矩差異明顯，其他接口的計算結果都基本接近。經過比較分析可以發現10010接口附近的40號支吊點，Glif與CaesarⅡ選出的彈簧型號不一致，Glif為118而CaesarⅡ為218，118的彈簧剛度為1 541.5 N/mm,218的彈簧剛度為770.8 N/mm，不同的彈簧剛度使該吊點在冷態時的分配荷重不同，從而影響了該接口的冷態端口推力。

表2 冷態接口推力和力矩

從表3可以看出，初熱工況下，當CaesarⅡ采用冷態彈性模量計算時，過熱器出口及主汽門進口處的接口推力明顯大于GLIF的計算結果。當CaesarⅡ采用熱態彈性模量計算時，過熱器出口及主汽門進口處的端口推力Glif與CaesarⅡ的數據吻合得比較好。

2.3 彈簧型式比較

彈簧的選擇、安裝有熱態吊零和冷態吊零2種方式。所謂吊零，就是管道吊點在對應的熱態或冷態時由于管道自身重力荷載而產生的垂直位移為零。熱態吊零時，彈簧工作荷載等于分配荷載，管道處于冷態時，彈簧荷載即安裝荷載等于分配重力荷載和彈簧附加力的矢量和。由于熱態吊零時管系中支吊架承受的自重力比較均勻，所以電廠管道的彈簧選型常常基于熱態吊零原則[4]。

表3 熱態接口推力和力矩

Glif的選彈方式是熱態吊零。而CaesarⅡ中彈簧的吊零方式可以通過更改彈簧庫的方法進行選擇，這里采用熱態吊零的方式進行設置。

CaesarⅡ軟件推薦的選彈方式不包含彈簧剛度進行選彈設計。 2001年，江蘇省電力設計院就CaesarⅡ軟件忽略彈簧剛度的選彈方式提出了質疑，隨后COADE公司對軟件進行了修改，在CaesarⅡ4.2以上的版本中添加了考慮彈簧剛度的選項。考慮彈簧剛度時，彈簧冷荷載會推動管道，但該剛度會限制管道的熱脹變形，所以計算出的彈簧位移相對小一些，彈簧的選彈熱位移與EXP工況位移一致；不考慮彈簧剛度時，彈簧的選彈熱位移與OPE工況位移一致。文中設置成考慮彈簧剛度的影響。

2款軟件計算所得的彈簧型號見表4。可以看出，選出的彈簧基本一致，支吊點40和440的彈簧有出入是位移及荷載處于選彈臨界點所致。在CaesarⅡ所出的彈簧表中，可以清晰地看出選彈位移為冷態到熱態的相對位移 （EXP工況位移），即彈簧的實際運行位移。在管道相對柔性的情況下，CaesarⅡ推薦方式選出的彈簧會明顯大于Glif選出的彈簧，即彈簧剛度的影響較大。而管道剛度比較大的情況下，這種影響就不明顯。COADE公司認為在不考慮彈簧剛度的情況下，得到彈簧的理論安裝荷載，也就是彈簧出廠的預壓荷載，在安裝過程中不需要調整彈簧，比較方便。而考慮彈簧剛度的方法得到的是彈簧的實際安裝荷載，需要在安裝過程中調整彈簧到該荷載下，相對比較繁復。

表4 彈簧選型表

3 結束語

通過對CaesarⅡ軟件進行計算條件設置后，Glif與CaesarⅡ軟件在高溫高壓管道靜力分析上結果基本接近。相比Glif只能用于靜力分析，CaesarⅡ還能用于管道動力計算，與汽錘力分析軟件Pipenet設有數據接口，能滿足對四大管道須進行動力計算要求。CaesarⅡ軟件是一款界面直觀、功能強大的應力分析軟件，在以后的火電設計中必定會越來越多的顯示其優越性。

[1]陳 樂.應力分析軟件CAESARⅡ功能及應用[J].鋼鐵技術，2004(1)：31-32.

[2]王致祥，梁志釗，孫國模，等.管道應力分析與計算[M].北京：水利電力出版社，1983：45.

[3]孫國模，王少寧.CAESARⅡ(4.2版)軟件的使用研究報告（靜力分析計算部分）[R].南京：江蘇省電力設計院，2001.

[4]鄭 鋼.電廠管道的彈簧支吊架選型[J].熱力發電，2010，39(7)：95-97.