CAESARⅡ在火电厂蒸汽管道应力分析中的应用

郑明秀

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130022）

·探索应用·

CAESARⅡ在火电厂蒸汽管道应力分析中的应用

郑明秀

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130022）

以某电厂主蒸汽管道为例，介绍了采用CAESARⅡ应力分析软件对电厂高温、高压蒸汽管道进行应力分析的方法，对工程设计人员有一定的参考价值。

CAESAR II；火电厂；应力分析；蒸汽管道

近年来，我国电力行业发展迅速，火电厂单元机组容量和参数都不断提高，致使火电机组汽水管道系统的设计更为复杂。管道的应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支撑或端点附加位移造成应力问题［1，2］。目前，国内设计院使用比较多的是GLIF管道应力计算软件；国外软件使用比较多的是CAESAR II、美国AEC Croup公司的CADpipe，美国AAA公司的Triflex等软件。其中，CAESAR II软件是进行管道静力分析和动力分析的专用程序，功能比较齐全，可考虑管道的非线性约束，如管道与支架间的摩擦力、限位支架的间隙等，通过计算可得出设备管口受力、管架受力、管道一和二次应力、法兰受力、弹簧规格（如有弹簧支架）、管道各节点位移以及管道振动频率等［3］。

1 主蒸汽管道的应力分析

一般来说，电厂热力管道管系多为三维空间走向，由一条或多条主管及数条支管组成，使用CAESAR II进行应力分析之前需根据管道参数及走向建立管道应力分析的三维模型，以某电厂10号机组主蒸汽管道为例，设计温度571℃，设计压力25.5MPa，材质A335P91，管道保温厚度220mm、保温材质硅酸铝及岩棉，建立三维模型如图1。

1.1 管道承受荷载的确定

管道上所能承受的荷载大致可以分为4类。

1）压力及温度载荷，热力管道可能在几组不同的压力和温度条件下运行，在CAESARII中最多可以设置9种温度及压力，进行支吊架设计时应根据最不利的一组条件进行计算，以便管道在最危险的工况下能满足条件。

图1 主蒸汽管道三维模型及节点分布Fig.1 Three dimensional model of main steam pipe and joint distribution

2）持续外载，包括管道的基本载荷（管道及其附件的重量、管内介质重量、管外保温重量等）、支吊架反力、以及其它均布或集中的持续外载。

3）热胀及端点附加位移管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质温度变化，热胀冷缩使管道发生形变；与设备相连接的管道，由于设备的温度变化，而出现端点的附加位移，从而对管道产生约束，使管道发生形变。

4）偶然载荷，包括风雪荷载、地震荷载、流体冲击以及安全阀动作等产生的冲击荷载［4，5］。

1.2 荷载工况

在进行静力分析时，如没有特殊要求，即可选用CAESARII推荐的工况，OPE工况、SUS工况和EXP工况。

OPE工况为运行热态工况计算管端热态推力，以校验端点（设备）的承受能力，也可计算支吊点上的运行热态荷载。

SUS工况为持续荷载工况计算管系的持续荷载应力，作为一次应力校验的依据。

EXP工况为膨胀荷载工况以前两工况的位移差，计算支吊点的热位移，和从热态到冷态的应力差，作为二次应力校验的依据。

1.3 应力分析结果

经检查无误后，可运行分析，分析后结果在静态输出器中显示。主蒸汽管道支吊点运行热态荷载及弹簧设计、运行状态端点推力、各管段一次应力、二次应力最大值如表1、表2、表3所示。

表1 支吊点运行热态荷载、弹簧设计及热位移表（部分）Tab.1 Table of operating thermal load，spring design and thermal displacement meter（part）

表2 运行热态端点推力表Tab.2 Running hot end point thrust table

表3 主蒸汽一次应力、二次应力表Tab.3 Table of first，second stress of main steam

2 偶然荷载分析

静力分析通过后对主蒸汽管道进行动态应力分析。

2.1 安全阀排汽反力分析

锅炉厂提供主蒸汽管道上的安全阀排汽反力及节点如表4所示.

表4 排汽反力大小及节点号Tab.4 the size and the number of antiforce of exhaust steam

以节点701为例，生成频谱曲线图，如图2。

图2 701节点排汽阀反力与时间的响应频谱Fig.2 Response spectrum of the exhaust valve anti force and time of 701 node

设置对应节点所受安全阀排汽反力的大小、方向，假设安全阀同时开启，偶然载荷工况设为D1。

2.3 汽锤力分析

经汽锤力专用计算软件计算该主蒸汽管道的汽锤力后，其大小及作用节点如表5所示。

压力波达到极值时间选为阀门完全关闭时间0.15 s，汽锤力的持续时间用以下公式计算：t＝L／c（1）式中，L为相邻弯头—弯头对之间的距离；c为压力波传播速度。

表5 汽锤力大小及节点号Tab.5 Hammer force and node number

根据阀门关闭时间及汽锤力持续时间建立力与时间的响应频谱，以节点2118为例，见图3。

图3 2118节点汽锤力与时间的响应频谱Fig.3 The response spectrum of hammer force and time of 2118 node

设置相应节点所受汽锤力大小、方向，偶然工况设为D2。在进行管道的动态分析时可以进行多种工况的组合，例如D1与D2组合，D1与OPE工况组合等等，为了使支吊架在最不利的一组工况中也能符合条件，计算时选择D1与D2同时作用，与OPE工况结合计算操作状态的支吊架荷载，与SUS工况结合计算偶然应力作为验证是否符合应力规范的依据。主蒸汽管道偶然工况下阻尼器荷载见表6。

表6 阻尼器受力计算结果表Tab.6 Results of force calculation of damper

3 结论

本文讨论了采用CAESARⅡ应力分析软件进行火电厂高温高压管道应力分析的一般模式以及应力分析计算中可能遇到的问题与解决方法；使用CAESARⅡ软件可以计算管道的固有频率，应用频谱分析的方法来分析管道的动态载荷如安全阀排汽反力、汽锤力、风荷载、地震荷载等，结果较准确，同时还能显示管道的各个振型，对管道的优化设计有很大帮助。应力计算对支吊架的选型尤其重要，它的重点在于保证各种输入的正确性以确保输出的正确合理。如果输入边界条件等参数存在错误，将会对输出结果造成很大的影响。

［1］郑军.高温高压蒸汽管道动态分析［J］.电力能源，2009，35：793－794

［2］闫思江，杨金凯，赵剑波.供热管道热损失有限元分析［J］.河南科学，2013，（9）：1432－1434.

［3］李超，彭喜魁，刘洪仁.ASME B31.3与空分装置冷箱内管道应力分析［J］.化工机械，2015，（3）：308－310.

［4］唐永进.压力管道应力分析［M］.北京：中国石化出版社，2003

［5］张鹏.火电厂汽水管道动态荷载［J］.广东科技，2006（11）：86－87

Stress Analysis of Steam Pipe in Power Plant Based on CAESAR II

ZHENG M ing－xiu

（China Power Engineering Consulting Group，Northeast Electric Power Design Institute Co.，Ltd.Changchun 130022，China）

Taking a power plantmain steam pipeline as an example，this paper analyzes themethod of stress analysis for the high temperature and high pressure steam pipeline of power plantby CAESAR IIstress analysis software，itwould have a reference value for engineering design personnel.

CAESAR II；unit set；stress analysis；main steam pipe；

TM621

A

1004-275X（2015）06-0058-04

收稿：2015－10－15

郑明秀（1984－），男，朝鲜族，硕士，从事火力发电厂设计及三维设计软件的相关研究工作。

10.3969／j.issn.1004-275X.2015.06.015