李文輝 延 靜 楊羽華

航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司 蘭州 730050

由于汽輪機(jī)屬于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器，其轉(zhuǎn)速很高，為了保證汽輪機(jī)的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，汽輪機(jī)的允許受力限制非常嚴(yán)格。通常受力限制一般由制造廠提出或參照美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NEMA SM23[1]。在配管設(shè)計(jì)中如果管道的約束點(diǎn)及約束形式設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)造成汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸不對(duì)中，轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙改變，引起機(jī)器磨損和振動(dòng)，進(jìn)而影響設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至毀壞設(shè)備[2]，因此必須對(duì)與汽輪機(jī)相接的管道進(jìn)行強(qiáng)度和安全性評(píng)價(jià)，主要進(jìn)行管道應(yīng)力分析、變形分析、管口受力校核。通過安全性評(píng)價(jià)可以保證汽輪機(jī)受力滿足限制要求、裝置安全運(yùn)行及減少工程投資[3]。

目前，國(guó)內(nèi)大部分工程公司均采用CAESARII軟件進(jìn)行管道應(yīng)力分析[4,5]。CAESARII軟件是由美國(guó) COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析國(guó)際權(quán)威的專業(yè)軟件，它既可以進(jìn)行動(dòng)力分析，也可進(jìn)行靜力分析，同時(shí)還可以進(jìn)行壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、加熱爐、空冷器和泵等特殊設(shè)備和機(jī)械的管口受力校核[6]。CAESARII具有輸入數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，圖形生成和計(jì)算結(jié)果直接明了的特點(diǎn)，使用方便快捷。

本文使用CAESARII軟件對(duì)某合成氨項(xiàng)目，從界區(qū)到凝汽式汽輪機(jī)進(jìn)口的過熱中壓蒸汽管道進(jìn)行應(yīng)力分析。

1 CAESARII軟件的應(yīng)用實(shí)例分析

1.1 管道的主要參數(shù)

管道介質(zhì)為過熱中壓蒸汽，管道材料為15CrMo，腐蝕裕量1.5mm，管徑為Ф168mm×11.0mm，管道的操作溫度450℃，操作壓力4.5MPa(A)，設(shè)計(jì)溫度480℃，設(shè)計(jì)壓力5.1MPa(A)，保溫層密度200kg/m3，保溫層厚度120mm，與管道連接的汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)口的初始位移見表1。

表1 汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)口初始位移 (mm)

1.2 CAESARⅡ軟件應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)以上條件及管道軸測(cè)圖，在CAESARII軟件中建立三維模型，見圖1。

圖1 管道三維模型

支吊架設(shè)計(jì)時(shí)，在裝置內(nèi)外分界點(diǎn)處(節(jié)點(diǎn)90)設(shè)置固定支架，避免裝置內(nèi)外管道的應(yīng)力互相影響?？紤]壓縮廠房?jī)?nèi)管架的生根位置，分別在節(jié)點(diǎn)150和470處設(shè)置支架來支撐管道的重量。一般來說，高溫管道上調(diào)節(jié)閥組的兩個(gè)支架中應(yīng)有一個(gè)是固定支架，另一個(gè)是滑動(dòng)支架。但為了增大管道的柔性、避免開閥時(shí)管道振動(dòng)幅度過大，本項(xiàng)目在蒸汽管道閥組兩側(cè)(節(jié)點(diǎn)230和390處)分別設(shè)置兩個(gè)導(dǎo)向支架。

汽輪機(jī)的受力要求非常嚴(yán)格，其管道的支架設(shè)置宜在管道與機(jī)器固定點(diǎn)處坐標(biāo)軸的交點(diǎn)位置附近設(shè)置限位支架，見圖2。

圖2 汽輪機(jī)管道的支架位置

從而使機(jī)器管口的熱膨脹與管道的熱膨脹基本相當(dāng)，減小管道對(duì)機(jī)器管口的作用力[1]，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)470處已設(shè)置支架，所以在節(jié)點(diǎn)500、560處僅設(shè)置軸向限位架，在節(jié)點(diǎn)530處設(shè)置軸向限位支架。節(jié)點(diǎn)610與650之間的垂直管道較長(zhǎng)，垂直位移較大，由于受壓縮機(jī)大板預(yù)留孔大小的限制，不能通過改變管道走向來增加其柔性，所以在節(jié)點(diǎn)590處采用彈簧支架，使支架在承受一定載荷的情況下又能允許管系有一定的垂直位移[7]。然后進(jìn)行程序運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果表明該管道的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。設(shè)備管口及支吊架的受力見表2。

表2 設(shè)備管口及支架受力情況

1.3 管系分析與調(diào)整

從表2可知，各節(jié)點(diǎn)的受力均在合理范圍內(nèi)。相對(duì)其他節(jié)點(diǎn)來看，節(jié)點(diǎn)470和530處Y向受力較大，這是采用剛性支架的緣故。汽輪機(jī)進(jìn)汽口(節(jié)點(diǎn)650)的Y向受力和X方向力矩相對(duì)較大。因制造廠未提出汽輪機(jī)的允許受力限制，所以采用NEMA SM23標(biāo)準(zhǔn)來校核汽輪機(jī)的管口受力情況。分析結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 汽輪機(jī)管口受力校核情況分析結(jié)果界面

由圖3可知，汽輪機(jī)進(jìn)汽口受力未通過校核，作用于汽輪機(jī)進(jìn)汽口Y向的力和Z向的力矩較大。 由圖4可知，汽輪機(jī)整體受力也未通過校核，合力

圖4 汽輪機(jī)整體受力校核情況分析結(jié)果界面

在X和Y向的力較大，在Y向和Z向的力矩較大。圖3和圖4的共同點(diǎn)都是汽輪機(jī)在Y向的受力較大。由圖1可看出，雖然在590處設(shè)置了彈簧支架，但610與650間的垂直管道較長(zhǎng)，熱脹推力較大，節(jié)點(diǎn)530處設(shè)置的剛性支架阻礙其膨脹，所以管道作用于汽輪機(jī)進(jìn)汽口的Y向力較大，因此要設(shè)法減小其Y向的受力。將節(jié)點(diǎn)530處的固定支架改為彈簧支架，人工將590處彈簧載荷設(shè)為2500N(見圖5)，然后再進(jìn)行程序運(yùn)算。調(diào)整后汽輪機(jī)進(jìn)口的受力情況見表3，用NEMA SM23標(biāo)準(zhǔn)校核的結(jié)果見圖6和圖7。

圖5 調(diào)整后的管道三維模型

將表3中所列數(shù)值與表2中相比，調(diào)整后汽輪機(jī)進(jìn)口Y方向的推力降低了4500N，Z方向的推力降低了1800N， X方向的力矩降低了5000N·m，Y方向的力矩降低了700N·m，Z方向的力矩降低了1800N·m。由圖6和圖7可知，調(diào)整后汽輪機(jī)進(jìn)汽口受力和整體受力校核都已通過。結(jié)果表明：汽輪機(jī)入口附近的幾組支吊架采用彈簧支吊架，可以減小因垂直管道的熱膨脹引起的管口熱態(tài)作用力，人為地調(diào)節(jié)其載荷，對(duì)改善局部受力狀態(tài)有好處。在汽輪機(jī)入口附近設(shè)置一個(gè)U型彎，U型彎的每條邊上都設(shè)置限位架，有利于減小汽輪機(jī)管口的受力，使其整體受力容易通過校核。

表3 調(diào)整后的設(shè)備管口受力

圖6 調(diào)整后汽輪機(jī)進(jìn)汽口受力校核情況結(jié)果界面

圖7 調(diào)整后汽輪機(jī)整體受力校核情況結(jié)果界面

2 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械入口管道的柔性設(shè)計(jì)是非常重要的，對(duì)裝置的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)投資都至關(guān)重要。通過改變管道走向、選用補(bǔ)償器、適當(dāng)增加支吊點(diǎn)和改變支吊架形式等方法來增大整個(gè)管系的柔性，可使各支吊點(diǎn)的受力分布均衡，最大限度地減小作用于設(shè)備管口上的推力和力矩。 在條件允許的情況下，應(yīng)考慮采用改變管道走向(設(shè)置L形、U形或П形彎等)和選用彈簧支吊架的方法來增加管道柔性的同時(shí)也要避免過分追求管道柔性而造成管系的失穩(wěn)以及管道阻力的增大。因此，在應(yīng)力計(jì)算和分析過程中，要多調(diào)整多優(yōu)化，在確保設(shè)備安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，也要保證管道的抗振能力和管道投資的經(jīng)濟(jì)合理性。

參 考 文 獻(xiàn)

1 唐永進(jìn). 壓力管道應(yīng)力分析[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，2003，79-83.

2 毛悠仁等. CAESAR Ⅱ軟件在離心壓縮機(jī)配管受力分析的應(yīng)用[J]. 化工生產(chǎn)與技術(shù)，2006，13,(3):39-40.

3 梁 軍. 工業(yè)管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析[J]. 山西化工，2005，25(4)：79-80.

4 苑 野. 管道應(yīng)力分析——蒸汽透平壓縮機(jī)進(jìn)出口管線設(shè)計(jì)[J]. 化工設(shè)計(jì)，1998，(1):24-2.

5 劉焰明. CAESAR Ⅱ在壓力容器管口應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J]. 遼寧化工，2010，39,(10):1099-1101.

6 楊羽華等. CAESAR Ⅱ軟件在管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 化工設(shè)計(jì)，2012，22(3):22-24.

7 岳進(jìn)才. 壓力管道技術(shù)(第二版)[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，2009:264-265.