阻尼器在管道設計中的選用

黎汝堅 王玉強 魏東升 王旭東

【摘 要】以某工程的燃氣輪機冷卻空氣管道為例，使用Autopipe應力分析軟件對管道靜態荷載及地震荷載進行計算。通過對同一套管道模型加載不同地震荷載，對比分析地震荷載對管道應力集中點的影響。通過選用阻尼器，最大限度的降低地震工況對管道的破壞，根據分析結論選擇合理的阻尼器，進一步優化管道設計。

【關鍵詞】地震載荷 應力分析 阻尼器 Autopipe

燃氣輪機冷卻空氣取自于壓氣機末級排氣，該部分空氣經過外部冷卻后，返回燃氣輪機本體，對高溫部件進行冷卻。冷卻空氣參數較高，管道設計壓力達到2.2MPaG，冷卻器前管道設計溫度達到505℃，冷卻器后的管道設計溫度達到350℃。而且冷卻空氣管道布置空間很受限制，運行中管道易受到集中應力的作用發生失效。

1 管道載荷的主要類型

根據荷載作用的性質，可以分為靜力荷載和動力荷載。靜力荷載是緩慢的、毫無振動的加載管道上的荷載，它的大小和位置與時間無關，或者是極為緩慢的變化，而可略去慣性力的影響，不使管道產生顯著運動。動力荷載是指隨時間有迅速變化的荷載，使管道產生顯著的運動，而且必須考慮慣性力的影響，例如管道的振動，管內水沖擊，閥門突然關閉時的壓力沖擊，安全閥排汽時的沖擊以及地震等[1]。

2 管道校核標準

在 Bentley AutoPIPE 軟件中，電廠管道選擇的應力校核標準為美國ASME B31.1 動力管道標準。根據標準要求，剪切許用應力值不應大于規則所確定的應力值的80%。擠壓許用應力值不應大于此應力值的160%[2]。校核分為一次、二次及峰值應力校核。

管道一次應力由內壓、自重引起，要求不得超過設計溫度下管材的許用應力，即S L ≤ Sh（其中，Sh為管材的許用應力，N/mm^2 ；SL 為由壓力引起的縱向應力與重力、風荷載等外載在管道中產生的縱向彎曲應力之和，N/mm^2）。

管道二次應力由純熱態應力引起，要求不得超過許用應力范圍，即SE ≤ SA=f *（1.25Sc+0.25Sh）（其中，SE 為許用應力范圍，N/mm^2 ；SA 為管材在20℃時的許用應力，N/mm^2，Sc為管材在冷態工況下的許用應力，N/mm^2；Sh為管材在熱態工況下的許用應力，N/mm^2； f為預期壽命內，考慮循環總次數影響的許用應力范圍減少系數）。

在運行期間，由內壓、活荷載和固定荷載以及偶然荷載，例如臨時支承件的額外重量，產生的縱向應力的總和可以超過許用應力表給定的許用應力值[2]。應滿足SL+SB ≤ kSh（其中，SB為偶然荷載的總和；N/mm^2，對于在任一時期內作用時間不大于1h和每年不大于80h的臨時荷載，K=1.2）。

3 實例分析

3.1 靜力分析

已知管道設計壓力2.2MPaG，冷卻器前管道設計溫度505℃，冷卻器后管道設計溫度350℃，輸入各管段保溫厚度、材質以及端點初始位移，建立的管道模型見圖1。經靜力分析，管道各節點的一次應力、二次應力均滿足要求，數據如下（表1）。

3.2 加載地震荷載 （0.1g）

對上述管道的布置方式及支撐類型不作修改，在管道模型中加載0.1g地震荷載，經受力分析，管道各節點的一次應力、二次應力、峰值應力均滿足要求，數據如下（表2）。

3.3加載地震荷載 （0.2g）

對上述管道的布置方式及支撐類型不作修改，在管道模型中加載0.2g地震荷載，經受力分析，管道各節點的一次應力、二次應力均滿足要求。但由地震荷載而產生的峰值應力超出允許值1.34倍，應力分析結果不合格，數據如下（表3）。

3.4 修改管道模型

對管道系統加載0.2g地震荷載后，管道峰值應力超出允許范圍，應力分析結果不合格。經分析，導致這種情況的主要原因是冷段管道上設置了1套重達5000kg的冷卻空氣過濾器，該設備設置了非固定式結構支撐，在地震荷載的作用下，Z方向產生較大的瞬態荷載。

為降低地震荷載對管路系統的影響，在冷卻空氣過濾器支撐位置增加1處Z方向（空氣過濾器軸向方向）的液壓阻尼器。液壓阻尼器是一種對速度反應靈敏的振動控制裝置，主要適用于核電廠、火電廠等的管道及設備的抗振動，常用于控制沖擊性的流體振動和地震激擾的管路振動。

修改后的管道模型見圖2. 經受力分析，管道各節點的一次應力、二次應力、峰值應力均滿足要求。在0.2g地震荷載下，阻尼器的對冷卻空氣過濾器產生Z方向約21KN的反力。數據如下（表4）。

4 結語

通過對同一套管道模型加載不同地震荷載，對比分析地震荷載對管道應力集中點的影響。隨著地震荷載的增大，與非固定式設備相連的管道由于慣性力的影響，易出現峰值應力不合格的情況。根據Autopipe軟件分析結果，在設備處加設合理的阻尼器，能有效減小管道系統的峰值應力，降低地震荷載對管道的破壞。

參考文獻：

[1] 王致祥，梁志釗，孫國模，文啟鼎.管道應力分析與計算.北京：水利電力出版社，1983.

[2] 美國家標準學會.ASME B31.3-2007 POWER PIPING.

[3] 許強，黃坤，盧泓方 等 AutoPIPE 在天然氣增壓站中的應用.中國國際管道會議，2013.