应力分析软件在汽轮机管线中的应用

陈星群(珠海巨涛海洋石油服务有限公司深圳分公司, 广东 深圳 518000)

应力分析软件在汽轮机管线中的应用

陈星群(珠海巨涛海洋石油服务有限公司深圳分公司, 广东 深圳 518000)

本文重点介绍了在汽轮机蒸汽管线设计中应用CAESARⅡ应力分析软件进行应力分析与计算的过程，对于不同的支吊架设置以及管道的走向设计方案进行优化进而得到最优设计方案，能够符合NEMA SM23的标准要求。

应力分析软件；CAESARⅡ；汽轮机；蒸汽管道

在管线的设计过程中，应力分析具有非常重要的作用。通过应用应力分析软件可以在管线应力分析中比较精确的进行计算，防止出现安全问题。CAESARⅡ是应用比较广泛的应力分析软件，本文对这一软件的应用作了具体探究。

1 CAESARⅡ软件的工作模式分析

CAESARⅡ软件在进行应力分析时，主要可以分为四个过程：编制节点，上机建模，分析运算和调整优化。在这四个过程中编制节点主要是将整个管道系统进行划分，划分为一些独立单元后进行三维建模。这样就将管道系统的受力分析转化为了简单的数学模型[1]。随后，在管道系统的边界条件问题分析上，软件会对位移、支吊架以及管口等问题进行具体的模拟，并对模拟结果进行运算和判定。在应用应力分析软件进行应力分析时，最关键的环节是要保证分析结果符合相关的判定标准，以便于对管道设计进行调整和优化。

2 CAESARⅡ软件在汽轮机管线中的应用分析

(1)机组与材料参数分析 以某汽轮机为例，该汽轮机的蒸汽管道设计要求参数为420℃，5.0MPa，该蒸汽管道的材料设计为15CrMo，根据所提供的参数设计以下三种方案：

方案一：将配管所专业提供的原管道的走向全部更换为刚性的支架；方案二:在保持方案一的基础上，将汽轮机入口处的刚性支架换为弹簧吊架；方案三：将原管道的走向进行改动，重新设置配管方案优化支架和吊架。

对以上三种配管设计方案进行应力分析，并对汽轮机和管道所承受的应力进行计算，选择最优的设计方案。

(2)方案一的受力分析

图1 原管道走向三维轴测图

如图1所示，在汽轮机的原管道走向中，蒸汽会从边界区10点处进入，由于此边界的参数设置为固定的支架，所以蒸汽会经过两道的切断阀之后进入到290点。为了满足这一过程中的受力和跨距的要求，可以在中间设计刚性的承重点，比如30点、150点等。

据此可以提供设计方案：将原配管汽轮机入口230点附近的承重支架设计成刚性支架。对该方案进行验证，应力最大值(90点)在ASMEB31.3的许用应力中占65.1%，第二次应力最大值(240点)在许用应力中占比123.4%，不符合设计标准[2]。由此可以分析得出导致出现超标的主要原因是位于230点的刚性支架，由于该刚性支架导致设备管口处刚性过大，产生了完全相反的作用力，致使管口处的应力超过标准。

(3)方案二的受力分析 在方案二中，主要是将方案一中的汽轮机入口处刚性支架改为弹簧吊架，其他因素不变。对于该方案进行受力分析可以发现，一次应力最大值(90点)在SAME B31.3中所占的许用应力为56.4%，而二次应力最大值(10点)在许用应力中所占的比例为36.9%，符合设计标准。但是对汽轮机管口(290点)的应力进行分析占比233.8%，不符合设计标准。

因此将230点更换为弹簧吊架后虽然改善了290点附近的应力，但是管道配管存在问题，而依靠单纯的自然补偿又无法消除管口的热位移，这就造成管口的力矩发生变形，最终导致290点承受的应力超出设计标准，所以仍然需要进一步优化。

(4)方案三的受力分析 在方案三的设计方案中，对原管道走向进行重新设计并在管道与机器固定点交叉的位置设置限位支架，这样可以有效的防止管口发生热膨胀或者管道热膨胀现象。同时在图1中240点位置增设X向止推，在210点位置增设Z向止推，并将280点位置更换为弹簧[3]。这样对受到的应力进行验证发现，一次应力最大值和二次应力最大值分别占许用应力的55.5%和35.4%，而调整后的汽轮机管口330点的应力值占许用应力的39.8%，全符合相关设计标准。

3 对三种方案的比较与分析

通过对以上三种设计方案进行应力分析可以发现，第一次应力最大值没有明显差别，但是第二次应力最大值差异明显，这表明了将汽轮机入口处的支架更换为弹簧吊架是合理的。而根据方案一和方案二对管口处的应力所占的许用应力进行计算，分别高达1870.8%和233.8%，都不符合设计标准，而方案三管口处所占的许用应力值为39.8%，符合相关设计标准。

所以，综合以上三种设计方案，方案三是最优化的设计方案。

[1]赵静一,邢一东,毛炜,陈作强.汽轮机主蒸汽管道的多工况应力分析[J].化工设备与管道,2014,06:62-67.

[2]邢一东,毛炜,杜江,乔舰,广翠.CAESARⅡ软件在汽轮机蒸汽管道布置中的应用[J].化工设备与管道,2014,03:78-81.

[3]陈腊民,李录平,黄志杰.电站汽轮机组循环水管应力分析软件的开发与应用[J].电站系统工程,2014,03:33-35.