CAESARⅡ在火電廠蒸汽管道應力分析中的應用

鄭明秀

（中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130022）

·探索應用·

CAESARⅡ在火電廠蒸汽管道應力分析中的應用

鄭明秀

（中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130022）

以某電廠主蒸汽管道為例，介紹了采用CAESARⅡ應力分析軟件對電廠高溫、高壓蒸汽管道進行應力分析的方法，對工程設計人員有一定的參考價值。

CAESAR II；火電廠；應力分析；蒸汽管道

近年來，我國電力行業發展迅速，火電廠單元機組容量和參數都不斷提高，致使火電機組汽水管道系統的設計更為復雜。管道的應力分析應保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支撐或端點附加位移造成應力問題［1，2］。目前，國內設計院使用比較多的是GLIF管道應力計算軟件；國外軟件使用比較多的是CAESAR II、美國AEC Croup公司的CADpipe，美國AAA公司的Triflex等軟件。其中，CAESAR II軟件是進行管道靜力分析和動力分析的專用程序，功能比較齊全，可考慮管道的非線性約束，如管道與支架間的摩擦力、限位支架的間隙等，通過計算可得出設備管口受力、管架受力、管道一和二次應力、法蘭受力、彈簧規格（如有彈簧支架）、管道各節點位移以及管道振動頻率等［3］。

1 主蒸汽管道的應力分析

一般來說，電廠熱力管道管系多為三維空間走向，由一條或多條主管及數條支管組成，使用CAESAR II進行應力分析之前需根據管道參數及走向建立管道應力分析的三維模型，以某電廠10號機組主蒸汽管道為例，設計溫度571℃，設計壓力25.5MPa，材質A335P91，管道保溫厚度220mm、保溫材質硅酸鋁及巖棉，建立三維模型如圖1。

1.1 管道承受荷載的確定

管道上所能承受的荷載大致可以分為4類。

1）壓力及溫度載荷，熱力管道可能在幾組不同的壓力和溫度條件下運行，在CAESARII中最多可以設置9種溫度及壓力，進行支吊架設計時應根據最不利的一組條件進行計算，以便管道在最危險的工況下能滿足條件。

圖1 主蒸汽管道三維模型及節點分布Fig.1 Three dimensional model of main steam pipe and joint distribution

2）持續外載，包括管道的基本載荷（管道及其附件的重量、管內介質重量、管外保溫重量等）、支吊架反力、以及其它均布或集中的持續外載。

3）熱脹及端點附加位移管道由安裝狀態過渡到運行狀態，由于管內介質溫度變化，熱脹冷縮使管道發生形變；與設備相連接的管道，由于設備的溫度變化，而出現端點的附加位移，從而對管道產生約束，使管道發生形變。

4）偶然載荷，包括風雪荷載、地震荷載、流體沖擊以及安全閥動作等產生的沖擊荷載［4，5］。

1.2 荷載工況

在進行靜力分析時，如沒有特殊要求，即可選用CAESARII推薦的工況，OPE工況、SUS工況和EXP工況。

OPE工況為運行熱態工況計算管端熱態推力，以校驗端點（設備）的承受能力，也可計算支吊點上的運行熱態荷載。

SUS工況為持續荷載工況計算管系的持續荷載應力，作為一次應力校驗的依據。

EXP工況為膨脹荷載工況以前兩工況的位移差，計算支吊點的熱位移，和從熱態到冷態的應力差，作為二次應力校驗的依據。

1.3 應力分析結果

經檢查無誤后，可運行分析，分析后結果在靜態輸出器中顯示。主蒸汽管道支吊點運行熱態荷載及彈簧設計、運行狀態端點推力、各管段一次應力、二次應力最大值如表1、表2、表3所示。

表1 支吊點運行熱態荷載、彈簧設計及熱位移表（部分）Tab.1 Table of operating thermal load，spring design and thermal displacement meter（part）

表2 運行熱態端點推力表Tab.2 Running hot end point thrust table

表3 主蒸汽一次應力、二次應力表Tab.3 Table of first，second stress of main steam

2 偶然荷載分析

靜力分析通過后對主蒸汽管道進行動態應力分析。

2.1 安全閥排汽反力分析

鍋爐廠提供主蒸汽管道上的安全閥排汽反力及節點如表4所示.

表4 排汽反力大小及節點號Tab.4 the size and the number of antiforce of exhaust steam

以節點701為例，生成頻譜曲線圖，如圖2。

圖2 701節點排汽閥反力與時間的響應頻譜Fig.2 Response spectrum of the exhaust valve anti force and time of 701 node

設置對應節點所受安全閥排汽反力的大小、方向，假設安全閥同時開啟，偶然載荷工況設為D1。

2.3 汽錘力分析

經汽錘力專用計算軟件計算該主蒸汽管道的汽錘力后，其大小及作用節點如表5所示。

壓力波達到極值時間選為閥門完全關閉時間0.15 s，汽錘力的持續時間用以下公式計算：t＝L／c（1）式中，L為相鄰彎頭—彎頭對之間的距離；c為壓力波傳播速度。

表5 汽錘力大小及節點號Tab.5 Hammer force and node number

根據閥門關閉時間及汽錘力持續時間建立力與時間的響應頻譜，以節點2118為例，見圖3。

圖3 2118節點汽錘力與時間的響應頻譜Fig.3 The response spectrum of hammer force and time of 2118 node

設置相應節點所受汽錘力大小、方向，偶然工況設為D2。在進行管道的動態分析時可以進行多種工況的組合，例如D1與D2組合，D1與OPE工況組合等等，為了使支吊架在最不利的一組工況中也能符合條件，計算時選擇D1與D2同時作用，與OPE工況結合計算操作狀態的支吊架荷載，與SUS工況結合計算偶然應力作為驗證是否符合應力規范的依據。主蒸汽管道偶然工況下阻尼器荷載見表6。

表6 阻尼器受力計算結果表Tab.6 Results of force calculation of damper

3 結論

本文討論了采用CAESARⅡ應力分析軟件進行火電廠高溫高壓管道應力分析的一般模式以及應力分析計算中可能遇到的問題與解決方法；使用CAESARⅡ軟件可以計算管道的固有頻率，應用頻譜分析的方法來分析管道的動態載荷如安全閥排汽反力、汽錘力、風荷載、地震荷載等，結果較準確，同時還能顯示管道的各個振型，對管道的優化設計有很大幫助。應力計算對支吊架的選型尤其重要，它的重點在于保證各種輸入的正確性以確保輸出的正確合理。如果輸入邊界條件等參數存在錯誤，將會對輸出結果造成很大的影響。

［1］鄭軍.高溫高壓蒸汽管道動態分析［J］.電力能源，2009，35：793－794

［2］閆思江，楊金凱，趙劍波.供熱管道熱損失有限元分析［J］.河南科學，2013，（9）：1432－1434.

［3］李超，彭喜魁，劉洪仁.ASME B31.3與空分裝置冷箱內管道應力分析［J］.化工機械，2015，（3）：308－310.

［4］唐永進.壓力管道應力分析［M］.北京：中國石化出版社，2003

［5］張鵬.火電廠汽水管道動態荷載［J］.廣東科技，2006（11）：86－87

Stress Analysis of Steam Pipe in Power Plant Based on CAESAR II

ZHENG M ing－xiu

（China Power Engineering Consulting Group，Northeast Electric Power Design Institute Co.，Ltd.Changchun 130022，China）

Taking a power plantmain steam pipeline as an example，this paper analyzes themethod of stress analysis for the high temperature and high pressure steam pipeline of power plantby CAESAR IIstress analysis software，itwould have a reference value for engineering design personnel.

CAESAR II；unit set；stress analysis；main steam pipe；

TM621

A

1004-275X（2015）06-0058-04

收稿：2015－10－15

鄭明秀（1984－），男，朝鮮族，碩士，從事火力發電廠設計及三維設計軟件的相關研究工作。

10.3969／j.issn.1004-275X.2015.06.015