某燃機(jī)電站汽輪機(jī)蒸汽管道應(yīng)力分析

張 妍

(航發(fā)燃機(jī)(株洲)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

蒸汽管道在敷設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)因?yàn)闇囟茸兓l(fā)生熱脹冷縮，若管道受到管支架和其連接設(shè)備的約束，在熱脹冷縮過(guò)程中將產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)一定限度時(shí)，將導(dǎo)致管道破裂、支吊架滑落甚至損壞、法蘭泄漏、設(shè)備管口變形而無(wú)法正常運(yùn)行等，進(jìn)而引發(fā)安全事故。因此，對(duì)于絕大多數(shù)高溫以及與重要設(shè)備(如汽輪機(jī)、泵、壓縮機(jī)等)連接的管道，在完成配管設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力校核。而管道應(yīng)力校核過(guò)程比較復(fù)雜，涉及大量的計(jì)算，通常需要借助相關(guān)軟件來(lái)進(jìn)行。

本文選取某燃機(jī)電站分汽缸至汽輪機(jī)段的主蒸汽管道，在根據(jù)設(shè)計(jì)輸入條件，完成配管設(shè)計(jì)后，利用優(yōu)易軟件對(duì)其進(jìn)行建模分析。通過(guò)計(jì)算，了解其各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的受力、位移、變形情況，進(jìn)而對(duì)配管設(shè)計(jì)選型進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，保證該配管設(shè)計(jì)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)安全要求。

1 管道應(yīng)力計(jì)算與結(jié)果分析

管道應(yīng)力分析的一般步驟為：建?！獏?shù)設(shè)置—選擇計(jì)算工況—應(yīng)力計(jì)算—結(jié)果輸出及分析—配管優(yōu)化。大多數(shù)情況下，不可能由計(jì)算程序計(jì)算一次便得到滿意的結(jié)果，通常需要反復(fù)調(diào)整配管，反復(fù)計(jì)算，直到結(jié)果滿足要求。以下以某燃機(jī)電站分汽缸至汽輪機(jī)段的主蒸汽管道為例進(jìn)行闡述。

1.1 計(jì)算模型

本管段從分汽缸蒸汽出口一路接至汽輪機(jī)主汽門，另一路經(jīng)過(guò)減溫減壓裝置接至汽輪機(jī)排汽管。其配管應(yīng)力計(jì)算模型如圖1所示。其中，數(shù)字1～9為模型中的節(jié)點(diǎn)號(hào)， 1、4、6號(hào)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為導(dǎo)向支架，3號(hào)節(jié)點(diǎn)為滑動(dòng)支座，2、5、7、8號(hào)節(jié)點(diǎn)為彈簧支座，9號(hào)節(jié)點(diǎn)為剛性彈簧吊架。501代表分汽缸蒸汽出口管口，502代表汽輪機(jī)主汽門管口，503代表排汽接管口。

1.2 參數(shù)設(shè)置

通常，在建模時(shí)，須對(duì)整個(gè)管系進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要包括管道的基本技術(shù)參數(shù)(設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、材料、管件重量等)、管道端點(diǎn)附加位移、附加力和力矩、設(shè)置冷緊、設(shè)置其他數(shù)據(jù)(如風(fēng)荷載數(shù)據(jù)、埋地?cái)?shù)據(jù))等，其中第一、二項(xiàng)為基本項(xiàng)，其他則根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定是否需要設(shè)置。

本工程利用優(yōu)易AutoPDMS軟件進(jìn)行建模，對(duì)于圖1模型中的標(biāo)準(zhǔn)的管子、管件、閥門，根據(jù)表1中的管道技術(shù)參數(shù)直接選用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中的模型，對(duì)于非標(biāo)的減溫減壓裝置，則將其作為剛性件進(jìn)行處理，根據(jù)其外形尺寸單獨(dú)建模，輸入廠家提供的設(shè)備重量1 300 kg。

圖1 管道應(yīng)力計(jì)算模型

表1 管道技術(shù)參數(shù)表

在完成管道基本建模、支吊架設(shè)置后，再為每個(gè)管道端口設(shè)置附加位移，其中本工程中的分汽缸、汽輪機(jī)管口位移由廠家提供，具體如表2所示。到此，管道應(yīng)力計(jì)算建?；就瓿?。

表2 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移表

1.3 計(jì)算工況

在進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，本文通常采用計(jì)算軟件推薦的工況組合，也可根據(jù)具體項(xiàng)目增設(shè)自定義的工況組合。本工程采取的工況組合如圖2所示。

圖2 計(jì)算工況

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

在完成上述步驟后，即可查看管道應(yīng)力分析的計(jì)算結(jié)果。

其中，管道應(yīng)力分析的計(jì)算結(jié)果主要包括不同組合工況下的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、管道對(duì)設(shè)備的作用力、支吊架受力、管系位移、法蘭受力(主要針對(duì)可燃、有毒介質(zhì)管道)以及彈簧選型等。通常，需要判斷：①一次應(yīng)力、二次應(yīng)力是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。②管道對(duì)設(shè)備的作用力是否過(guò)大，是否滿足設(shè)備廠家要求。③支吊架受力是否合理。④管系位移是否過(guò)大。⑤法蘭受力是否過(guò)大。⑥彈簧選型是否合理，是否滿足載荷變化率要求。

以下選取了本管段的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及汽輪機(jī)管口的力和力矩的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.4.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力[1-2]主要指由重力、壓力等其他外力載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于持續(xù)應(yīng)力，當(dāng)其值超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。因此，要求計(jì)算的管道的一次應(yīng)力σl不得超過(guò)設(shè)計(jì)溫度下管道材料的許用應(yīng)力[σ]h，即：

σl≤[σ]h

(1)

式中：σl為管道元件中的一次應(yīng)力，MPa；[σ]h為管道元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

本管段計(jì)算結(jié)果：在SUS(持續(xù)載荷)工況下，管道元件中的最大一次應(yīng)力σl為47.008 MPa，許用應(yīng)力[σ]h為122.5 MPa，σl=38.37% [σ]h<[σ]h；得出，一次應(yīng)力符合要求。

1.4.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力[1-2]主要是指由熱脹、冷縮、附加位移載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，當(dāng)其值超過(guò)材料的許用應(yīng)力幅度時(shí)，將引起管道的疲勞破壞。因此，要求計(jì)算的管道的二次應(yīng)力σH不得超過(guò)設(shè)計(jì)溫度下管道材料的許用應(yīng)力幅度σα，即：

σH≤σα=f(1.25[σ]L+[σ]h)

(2)

式中：σH為管道元件中的二次應(yīng)力，MPa；σα為許用應(yīng)力幅度，MPa；f為在預(yù)期壽命內(nèi)，考慮循環(huán)總次數(shù)影響的許用應(yīng)力幅度減弱系數(shù)；[σ]L為管道元件材料在20℃的許用應(yīng)力，MPa；[σ]h為管道元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

本管段計(jì)算結(jié)果：在EXP(純熱態(tài)載荷)工況下，管道元件中的最大二次應(yīng)力σl為153.361 MPa，其許用應(yīng)力[σ]h為298.666 MPa，σl=51.34% [σ]h<[σ]h；得出，二次應(yīng)力符合要求。

1.4.3 管道對(duì)設(shè)備的作用力

管道對(duì)設(shè)備的作用力主要指管道在運(yùn)行過(guò)程中，作用在其連接的設(shè)備管口的力和力矩。當(dāng)其超過(guò)一定限值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備管口變形甚至損壞，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，因此，要求設(shè)備管口的力和力矩應(yīng)滿足設(shè)備廠家或標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本工程汽輪機(jī)的管口力和力矩要求由汽輪機(jī)廠家給出，具體為：汽機(jī)主汽門：Fr+1.09Mr<5 833；汽機(jī)排汽口：Fr+1.09Mr<9 785。

本管段計(jì)算結(jié)果：在OPE(操作狀態(tài))工況下，各管口的受力值如表3所示。

表3 管道端點(diǎn)推力和推力力矩表

根據(jù)表3中的計(jì)算結(jié)果，502管口即汽機(jī)主汽門口，F(xiàn)r+1.09Mr=4 686<5 833；503管口即汽機(jī)排汽口，F(xiàn)r+1.09Mr=5 460<9 785。得出，汽輪機(jī)管口的受力條件符合汽輪機(jī)廠家的要求。綜上所述，本配管設(shè)計(jì)方案基本可行。

2 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)主蒸汽管道的合理布置對(duì)于汽輪機(jī)甚至整個(gè)燃機(jī)電站的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因此在完成配管設(shè)計(jì)后，利用管道應(yīng)力分析來(lái)進(jìn)行校核是非常有必要的。然而，對(duì)于好的配管設(shè)計(jì)而言，不能僅僅以管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為評(píng)判，更應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，在管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，盡可能使管道材料、壁厚、壓力等級(jí)、支吊架、膨脹節(jié)等的選用達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，盡可能利用管道自然膨脹，盡可能減少?gòu)椈芍У跫艿倪x用，在合理范圍內(nèi)降低工程成本和安裝難度。