應力分析軟件在汽輪機管線中的應用

陳星群(珠海巨濤海洋石油服務有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518000)

應力分析軟件在汽輪機管線中的應用

陳星群(珠海巨濤海洋石油服務有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518000)

本文重點介紹了在汽輪機蒸汽管線設計中應用CAESARⅡ應力分析軟件進行應力分析與計算的過程，對于不同的支吊架設置以及管道的走向設計方案進行優化進而得到最優設計方案，能夠符合NEMA SM23的標準要求。

應力分析軟件；CAESARⅡ；汽輪機；蒸汽管道

在管線的設計過程中，應力分析具有非常重要的作用。通過應用應力分析軟件可以在管線應力分析中比較精確的進行計算，防止出現安全問題。CAESARⅡ是應用比較廣泛的應力分析軟件，本文對這一軟件的應用作了具體探究。

1 CAESARⅡ軟件的工作模式分析

CAESARⅡ軟件在進行應力分析時，主要可以分為四個過程：編制節點，上機建模，分析運算和調整優化。在這四個過程中編制節點主要是將整個管道系統進行劃分，劃分為一些獨立單元后進行三維建模。這樣就將管道系統的受力分析轉化為了簡單的數學模型[1]。隨后，在管道系統的邊界條件問題分析上，軟件會對位移、支吊架以及管口等問題進行具體的模擬，并對模擬結果進行運算和判定。在應用應力分析軟件進行應力分析時，最關鍵的環節是要保證分析結果符合相關的判定標準，以便于對管道設計進行調整和優化。

2 CAESARⅡ軟件在汽輪機管線中的應用分析

(1)機組與材料參數分析 以某汽輪機為例，該汽輪機的蒸汽管道設計要求參數為420℃，5.0MPa，該蒸汽管道的材料設計為15CrMo，根據所提供的參數設計以下三種方案：

方案一：將配管所專業提供的原管道的走向全部更換為剛性的支架；方案二:在保持方案一的基礎上，將汽輪機入口處的剛性支架換為彈簧吊架；方案三：將原管道的走向進行改動，重新設置配管方案優化支架和吊架。

對以上三種配管設計方案進行應力分析，并對汽輪機和管道所承受的應力進行計算，選擇最優的設計方案。

(2)方案一的受力分析

圖1 原管道走向三維軸測圖

如圖1所示，在汽輪機的原管道走向中，蒸汽會從邊界區10點處進入，由于此邊界的參數設置為固定的支架，所以蒸汽會經過兩道的切斷閥之后進入到290點。為了滿足這一過程中的受力和跨距的要求，可以在中間設計剛性的承重點，比如30點、150點等。

據此可以提供設計方案：將原配管汽輪機入口230點附近的承重支架設計成剛性支架。對該方案進行驗證，應力最大值(90點)在ASMEB31.3的許用應力中占65.1%，第二次應力最大值(240點)在許用應力中占比123.4%，不符合設計標準[2]。由此可以分析得出導致出現超標的主要原因是位于230點的剛性支架，由于該剛性支架導致設備管口處剛性過大，產生了完全相反的作用力，致使管口處的應力超過標準。

(3)方案二的受力分析 在方案二中，主要是將方案一中的汽輪機入口處剛性支架改為彈簧吊架，其他因素不變。對于該方案進行受力分析可以發現，一次應力最大值(90點)在SAME B31.3中所占的許用應力為56.4%，而二次應力最大值(10點)在許用應力中所占的比例為36.9%，符合設計標準。但是對汽輪機管口(290點)的應力進行分析占比233.8%，不符合設計標準。

因此將230點更換為彈簧吊架后雖然改善了290點附近的應力，但是管道配管存在問題，而依靠單純的自然補償又無法消除管口的熱位移，這就造成管口的力矩發生變形，最終導致290點承受的應力超出設計標準，所以仍然需要進一步優化。

(4)方案三的受力分析 在方案三的設計方案中，對原管道走向進行重新設計并在管道與機器固定點交叉的位置設置限位支架，這樣可以有效的防止管口發生熱膨脹或者管道熱膨脹現象。同時在圖1中240點位置增設X向止推，在210點位置增設Z向止推，并將280點位置更換為彈簧[3]。這樣對受到的應力進行驗證發現，一次應力最大值和二次應力最大值分別占許用應力的55.5%和35.4%，而調整后的汽輪機管口330點的應力值占許用應力的39.8%，全符合相關設計標準。

3 對三種方案的比較與分析

通過對以上三種設計方案進行應力分析可以發現，第一次應力最大值沒有明顯差別，但是第二次應力最大值差異明顯，這表明了將汽輪機入口處的支架更換為彈簧吊架是合理的。而根據方案一和方案二對管口處的應力所占的許用應力進行計算，分別高達1870.8%和233.8%，都不符合設計標準，而方案三管口處所占的許用應力值為39.8%，符合相關設計標準。

所以，綜合以上三種設計方案，方案三是最優化的設計方案。

[1]趙靜一,邢一東,毛煒,陳作強.汽輪機主蒸汽管道的多工況應力分析[J].化工設備與管道,2014,06:62-67.

[2]邢一東,毛煒,杜江,喬艦,廣翠.CAESARⅡ軟件在汽輪機蒸汽管道布置中的應用[J].化工設備與管道,2014,03:78-81.

[3]陳臘民,李錄平,黃志杰.電站汽輪機組循環水管應力分析軟件的開發與應用[J].電站系統工程,2014,03:33-35.