基于CAESAR II的中低压缸输气管道的设计和应力分析

袁斌霞, 唐家志, 孙家啟, 吴臻茂, 沈 红

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

基于CAESAR II的中低压缸输气管道的设计和应力分析

袁斌霞, 唐家志, 孙家啟, 吴臻茂, 沈 红

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

以美国工艺管道标准ASME B31.3—2012为设计依据,进行了管道的壁厚设计和应力校核.同时,采用Caesar II对600 MW汽轮机的中低压缸输气管道建立模型,考察不同曲率的弯管和三通管道对管道应力的影响,并设置相应的边界条件,进一步对管道的安装工况和使用工况进行静态应力分析.

中低压缸; 输气管道; 应力分析

我国经济的快速发展,用电需求的增大,带动了我国电力行业的迅猛变化,用电模式也发生了相应的变化,从而导致调峰能力较差.而超(超)临界机组的调峰运行,导致汽轮机组的工作条件更加恶劣[1].目前,工业和生活用电大部分依靠火力电站和核电站,而绝大多数的火力电站和核电站发电是以加热蒸汽推动的.

在主蒸汽管道中,弯管的结构设计和寿命设计非常重要.由于弯管部分的应力较为复杂且分布不均,导致弯管的外弧面容易发生破坏,加上主蒸汽管道受到温度和压力等多种因素的影响,难以进行弯管寿命的预测.因此,在实际应用中,将主蒸汽管道抽象为薄壁环管和以周向应力为主导应力,便于对主蒸汽管的弯管进行应力分析和寿命预测.在高蒸汽参数的电厂、电站中,蒸汽管道一直是金属技术监督工作的主要对象[2-4].增加主蒸汽管道的使用年限是增加机组的使用寿命和降低其维修成本的重要环节.近年来,一些超期运行蒸汽管道爆炸事故接连发生,同样使对老龄化蒸汽管道剩余寿命的研究提上了议事日程[5].

CAESAR II以材料力学、结构力学、有限元管道应力分析与计算等为基础,用于管道的结构设计和静动态受力分析,是目前使用最多的管道设计和分析软件[6-7].

本文主要采用美国工艺管道标准ASME B31.3—2012为设计标准[8],进行管道的壁厚设计和应力校核.同时,采用Caesar II对600 MW汽轮机中低压缸输气管道进行建模,考察不同曲率的弯管和三通管道及焊接方式等参数,并设置相应的边界条件,对管道的安装工况和使用工况进行静态应力分析.

1 管道壁厚的设计

1.1 材料的选择

该管道采用的是ASTM A106B,是一种用于高温下的无缝碳素钢钢管.其安装温度下的基本许用应力为137.895 MPa,设计温度(328 ℃)下的基本许用应力为121.513 MPa[8].与国内20#钢的性能相近.

1.2 直管的壁厚设计

由于三通管道是由3段直管焊接成形的,其壁厚设计可根据直管壁厚来确定.弯管基本采用反变形法冷弯或热弯,弯曲部分外侧壁厚减薄、内侧壁厚增厚,因此不能直接由直管的壁厚计算公式确定,必须进行修正,要求弯曲部分的外侧壁厚大于直管的最小壁厚.

假定汽轮机中低压缸输气管道的管道外径Do=2 000 mm,设计温度为328 ℃,设计压力P=1.1 MPa.

根据ASME标准承受内压的直管设计壁厚应为：

(1)

式中:T——直管管壁设计壁厚,mm;Tc——直管管壁理论计算壁厚,mm;C1——壁厚负偏差附加量,1.5～2.5,mm;C2——腐蚀或磨蚀裕度附加量,mm;C3——加工裕量附加量,有螺纹或其他机械加工时,为螺纹牙高或加工深度及其加工负偏差之和.

当Tc

(2)

式中:P——设计压力,MPa;Do——直管外径,mm;S——设计温度下材料的许用应力,MPa;E——焊缝质量系数,见表1,对于无缝钢管,E=1.0;Y——温度影响系数,当Tc

表1 焊缝质量系数

表2 温度影响系数

由于该蒸汽管道的设计温度为328 ℃,由表2选取得Y=0.4.采用电熔焊的局部射线照相检验,E=0.85.因此,

10.605mm

根据高温气体通过的管道内取得C1=2.5 mm,C2=20%×10.605=2.121 mm,C3=0可知:

由此可知,T型三通管道的最小壁厚为15.266 mm.

1.3 弯管的壁厚设计

直管经弯曲后所需的最小厚度Tm可由式(1)和式(3)来确定.

(3)

在内弧面(变管半径内侧):

(4)

在外弧面(变管半径外侧):

(5)

式中：I——弯管中心线半径,I=1.0;R1——焊接弯头或弯管的弯曲半径,R1=2 000;

W——焊缝接头强度降低系数(或焊缝系数),指焊缝接头失效的名义应力与母材失效的名义应力的比值.

对于所有材料,当温度小于510 ℃时,W等于1.0;当温度为815 ℃时,W等于0.5;当温度位于510～815 ℃时,通过线性插值求出W的值;当温度大于815 ℃时,由设计者自行确定W.

变管半径内侧为:

(6)

将式(6)代入到式(3)中得:

Tm=

15.874 mmT=Tm+C1+C2+C3=15.874+2.5+

15.874×0.2+0=21.549 mm

变管半径外侧为：

(7)

将式(7)代入到式(3)中得:

Tm=

8.842 mmT=Tm+C1+C2+C3=8.842+2.5+

8.842×0.2+0=13.110 mm

因此,弯管道的最小壁厚为13.11 mm.

2 管道壁厚的强度检验

根据强度理论,管道的理论壁厚是指承受一定内压时所需的最小厚度.从管壁的应力分析可知,其应力复杂,强度是由几个主应力综合决定的.因此,可通过比较管壁厚度与计算所得最小壁厚,验算其设计的合理性.

验算管道壁厚强度,以弯管T=13.110mm为最小壁厚.

直管内径:

Dn=D-2T=2 000-2×15.266=

1 969.468 mm

在进行应力校核时,常采用4大强度理论:一是最大拉应力理论,适用于脆性材料,例如铸铁;二是最大伸长线应变理论,只要极少数脆性材料复合,应用很少;三是最大切应力理论,适用于塑性材料,例如低碳钢,形式简单,应用极为广泛;四是畸变能密度理论,适用于大多数塑性材料,比第3强度理论准确,但不如第3强度理论方便.本文采用ASTM A106B,属于塑性材料,因此,采用第3和第4强度理论来进行校核.

2.1 按最大剪应力强度理论检验管道理论壁厚计算公式

由内壁应力确定的理论壁厚计算式为:

7.951 mm≤[T]

(8)

由平均应力确定的理论壁厚计算式为:

(9)

2.2 按变形能强度理论检验管道理论壁厚计算公式

以内壁应力确定的管道理论壁厚计算式为:

(10)

由平均应力确定的管道理论壁厚计算式为:

由此可见,通过第3和第4强度校核表明能满足强度和应力需求.因此,所设计的管道壁厚符合使用要求.最终确定的输气管道尺寸如图1所示.

3 CAESAR II建模和应力分析

3.1 管道建模

采用CAESARⅡ建模和计算分析时,首先要对管道进行分段,并设定节点和编号,以便对每个重要节点进行数据分析.其次,输入每个节点对应的参数.其基本参数主要包括各管道元件的长度、壁厚、管径、计算温度、安装温度、绝热层厚度和密度、介质密度、管道材质密度、材料牌号、泊松比、弹性模量、许用应力等,并根据实际使用情况,设定对应的边界条件和约束类型.

管道的基本数据如下:管道的外径为2 000 mm,管壁厚为15.266 mm,管道的安装温度为328 ℃,压力为1.1 MPa,管道的材料为ASTM A106B.考虑到中低压输气管道是通过法兰连接中低压汽轮机,因此可简化为固定端的约束(或全面约束),可选择ANC的约束方式.图2为中低压缸的最终输气模型.

图2 输气管道模型

建完模型后,首先要进行数据检查.数据检查主要包括两个作用:一是检查输入的数据是否有误;二是获得后续应力分析的执行数据文件.在数据检查过程中,可能出现3种提示:“Warining”指警告错误;“Fatal Error”指致命性错误(必须返回修改);Note指“需注意的问题”.因此,在检查过程中,如果出现Fatal Error,必须返回到管道设计界面进行修改.如果出现Warining,虽不影响后续应力分析的程序运行,但最好认真检查,以保证结果的准确性.表3为警告错误提示.

表3 警告错误提示

3.2 静态应力分析

静态应力分析主要指管道自重(包括保温材料、管内流体重量)、内压、热膨胀、端点位移、集中荷载(阀门、法兰等)等荷载在节点所产生的应力、位移、力、力矩等.本文主要分析以下3种工作条件:

(1) 使用工况L1=W+t1+P1,可得到管道对边界的推力(W为管道的自身重量;t1为管道的工作温度;P1为管道的工作压力);

(2) 一次应力计算工况L2=W+P1,可得到管道中各点的一次应力值;

(3) 二次应力计算工况L3=L1-L2,可得到管道中的二次应力值.

本文通过选择不同工作条件的节点、载荷与应力3方面进行综合分析,获得应力分析报告,得出的结果都符合应力和位移要求.

4 结 论

(1) 采用美国工艺管道标准ASME B31.3—2012为设计标准,确定了管道的最小壁厚为15.226 mm；

(2) 采用最大剪应力和变形能强度理论校核最小壁厚,得出的相应厚度都小于设计计算的厚度,符合设计要求；

(3) 利用CAESAR II软件对管道应力场分布进行了数据分析,得出的结果都符合静态应力要求.

[1] 支小牧,寇可新,曹向欣.汽轮机转子热应力在线监测、寿命管理及优化启动的研究[J].动力工程,2000(1):543-548.

[2] 熊先仁,马兆伟.主蒸汽管道寿命评估发展现状[J].江西科学,1994(3):23-27.

[3] 杨厚君,李正刚,林介东.电阻法在金属材料蠕变损伤检测中的应用[J].武汉水利电力大学学报,1999,32(6):74-77.

[4] 杜伟光,李杨,程丰渊.锅炉与电厂管道系统应力分析关系探讨[J].山东电力技术,2014(1):69-70.

[5] 孙焕青,张珍年.汽轮机主蒸汽管道的应力分析与配管设计[J].广州化工,2012,40(11):165-167.

[6] 邢一东,毛炜,杜江,等.CAESAR II软件在汽轮机蒸汽管道布置中的应用[J].化工设备与管道,2013,50(3):78-81.

[7] 高智勤.CAESAR Ⅱ在管道应力分析中的应用[J].广东化工,2014(15):213-214.

[8] ASME B31.3—2012 Process Piping[EB/OL].[2013-01-10].http://www.doc88.com/p-7196117710119.html.

(编辑 胡小萍)

Design and Stress Analysis of Low Pressure CylinderGas Pipeline via CAESAR II

YUAN Binxia, TANG Jiazhi, SUI Jiaqi, WU Zhenmao, SHEN Hong

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The process piping standard ASME B31.3-2012 is adopted as a design basis.The steam turbine of gas pipeline of 600 MW is modeled through Caesar II.Moreover,the corresponding boundary conditions are set and different curvature of elbow and tee pipe are established.The static stresses of installation condition and use condition of pipelines are analyzed.

low pressure cylinder; gas pipeline; stress analysis

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.004

2015-03-23

简介：袁斌霞(1986-),女,博士,甘肃泾川人.主要研究方向为光电材料和器件.E-mail:yuanbinxia100@163.com.

TK263.5

A

1006-4729(2016)06-0524-05