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

應(yīng)力分析軟件在汽輪機(jī)管線中的應(yīng)用

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

本文重點(diǎn)介紹了在汽輪機(jī)蒸汽管線設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件進(jìn)行應(yīng)力分析與計(jì)算的過程，對于不同的支吊架設(shè)置以及管道的走向設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)而得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，能夠符合NEMA SM23的標(biāo)準(zhǔn)要求。

應(yīng)力分析軟件；CAESARⅡ；汽輪機(jī)；蒸汽管道

在管線的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)力分析具有非常重要的作用。通過應(yīng)用應(yīng)力分析軟件可以在管線應(yīng)力分析中比較精確的進(jìn)行計(jì)算，防止出現(xiàn)安全問題。CAESARⅡ是應(yīng)用比較廣泛的應(yīng)力分析軟件，本文對這一軟件的應(yīng)用作了具體探究。

1 CAESARⅡ軟件的工作模式分析

CAESARⅡ軟件在進(jìn)行應(yīng)力分析時，主要可以分為四個過程：編制節(jié)點(diǎn)，上機(jī)建模，分析運(yùn)算和調(diào)整優(yōu)化。在這四個過程中編制節(jié)點(diǎn)主要是將整個管道系統(tǒng)進(jìn)行劃分，劃分為一些獨(dú)立單元后進(jìn)行三維建模。這樣就將管道系統(tǒng)的受力分析轉(zhuǎn)化為了簡單的數(shù)學(xué)模型[1]。隨后，在管道系統(tǒng)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(jìn)行具體的模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和判定。在應(yīng)用應(yīng)力分析軟件進(jìn)行應(yīng)力分析時，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是要保證分析結(jié)果符合相關(guān)的判定標(biāo)準(zhǔn)，以便于對管道設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

2 CAESARⅡ軟件在汽輪機(jī)管線中的應(yīng)用分析

(1)機(jī)組與材料參數(shù)分析 以某汽輪機(jī)為例，該汽輪機(jī)的蒸汽管道設(shè)計(jì)要求參數(shù)為420℃，5.0MPa，該蒸汽管道的材料設(shè)計(jì)為15CrMo，根據(jù)所提供的參數(shù)設(shè)計(jì)以下三種方案：

方案一：將配管所專業(yè)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(chǔ)上，將汽輪機(jī)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(jìn)行改動，重新設(shè)置配管方案優(yōu)化支架和吊架。

對以上三種配管設(shè)計(jì)方案進(jìn)行應(yīng)力分析，并對汽輪機(jī)和管道所承受的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)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(jī)的原管道走向中，蒸汽會從邊界區(qū)10點(diǎn)處進(jìn)入，由于此邊界的參數(shù)設(shè)置為固定的支架，所以蒸汽會經(jīng)過兩道的切斷閥之后進(jìn)入到290點(diǎn)。為了滿足這一過程中的受力和跨距的要求，可以在中間設(shè)計(jì)剛性的承重點(diǎn)，比如30點(diǎn)、150點(diǎn)等。

據(jù)此可以提供設(shè)計(jì)方案：將原配管汽輪機(jī)入口230點(diǎn)附近的承重支架設(shè)計(jì)成剛性支架。對該方案進(jìn)行驗(yàn)證，應(yīng)力最大值(90點(diǎn))在ASMEB31.3的許用應(yīng)力中占65.1%，第二次應(yīng)力最大值(240點(diǎn))在許用應(yīng)力中占比123.4%，不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。由此可以分析得出導(dǎo)致出現(xiàn)超標(biāo)的主要原因是位于230點(diǎn)的剛性支架，由于該剛性支架導(dǎo)致設(shè)備管口處剛性過大，產(chǎn)生了完全相反的作用力，致使管口處的應(yīng)力超過標(biāo)準(zhǔn)。

(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(jī)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(jìn)行受力分析可以發(fā)現(xiàn)，一次應(yīng)力最大值(90點(diǎn))在SAME B31.3中所占的許用應(yīng)力為56.4%，而二次應(yīng)力最大值(10點(diǎn))在許用應(yīng)力中所占的比例為36.9%，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但是對汽輪機(jī)管口(290點(diǎn))的應(yīng)力進(jìn)行分析占比233.8%，不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

因此將230點(diǎn)更換為彈簧吊架后雖然改善了290點(diǎn)附近的應(yīng)力，但是管道配管存在問題，而依靠單純的自然補(bǔ)償又無法消除管口的熱位移，這就造成管口的力矩發(fā)生變形，最終導(dǎo)致290點(diǎn)承受的應(yīng)力超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化。

(4)方案三的受力分析 在方案三的設(shè)計(jì)方案中，對原管道走向進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并在管道與機(jī)器固定點(diǎn)交叉的位置設(shè)置限位支架，這樣可以有效的防止管口發(fā)生熱膨脹或者管道熱膨脹現(xiàn)象。同時在圖1中240點(diǎn)位置增設(shè)X向止推，在210點(diǎn)位置增設(shè)Z向止推，并將280點(diǎn)位置更換為彈簧[3]。這樣對受到的應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，一次應(yīng)力最大值和二次應(yīng)力最大值分別占許用應(yīng)力的55.5%和35.4%，而調(diào)整后的汽輪機(jī)管口330點(diǎn)的應(yīng)力值占許用應(yīng)力的39.8%，全符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 對三種方案的比較與分析

通過對以上三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)，第一次應(yīng)力最大值沒有明顯差別，但是第二次應(yīng)力最大值差異明顯，這表明了將汽輪機(jī)入口處的支架更換為彈簧吊架是合理的。而根據(jù)方案一和方案二對管口處的應(yīng)力所占的許用應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，分別高達(dá)1870.8%和233.8%，都不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而方案三管口處所占的許用應(yīng)力值為39.8%，符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

所以，綜合以上三種設(shè)計(jì)方案，方案三是最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

[1]趙靜一,邢一東,毛煒,陳作強(qiáng).汽輪機(jī)主蒸汽管道的多工況應(yīng)力分析[J].化工設(shè)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(jī)蒸汽管道布置中的應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道,2014,03:78-81.

[3]陳臘民,李錄平,黃志杰.電站汽輪機(jī)組循環(huán)水管應(yīng)力分析軟件的開發(fā)與應(yīng)用[J].電站系統(tǒng)工程,2014,03:33-35.