燃气轮机防冰进气管道应力补偿设计

裴后举，蒋彦龙，施 红，丁媛媛

（1. 南京航空航天大学 航空宇航学院，南京 210016；2. 江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏镇江 212003）

0 引言

热力管道作为一种特种设备被广泛应用于各种工业场所，其内部流体温度通常高达几百摄氏度。热力管道的应力主要是由管道承受的内压、外部载荷、偶然载荷和热膨胀等因素引起的，管道在这些载荷作用下的应力状态十分复杂[1]。这些载荷会施加热应力和机械应力于管道，引起管道形变甚至疲劳破裂，这不仅会影响防冰系统功能的实现，还会带来安全隐患，因此，防冰进气管道必须具有较高的可靠性。进行管道应力分析、确定合适的补偿方式是管道系统可靠性设计的关键[2]。

本文结合某型船舶热力防冰管道的使用条件和运行工况，通过对进行补偿后的管道进行应力分析与计算，确定管道中的应力分布和位移状况，为管道的安全性评估和经济性分析提供依据。

1 管道应力分析

1.1 管道应力分析软件

CAEPIPE是目前常用的一种压力管道应力分析和动力分析专业软件，它由美国SST System, Inc.（SST）公司研发，既可以进行静态分析，也可进行动态分析。CAEPIPE向用户提供了完备的国际通用管道设计规范，且该软件的使用非常便捷。

1.2 管道应力校核

管道应力分析的主要任务是对管道的载荷、应力和变形等进行力学分析，使管道在设计条件内的各种载荷作用下，能有效地抵抗不被允许的变形、位移和破坏，保证管道的安全性和经济性[3]。除了需要对一些特殊工况的管道进行动力分析外（例如：往复式压缩机和往复泵管道）[4]，对于一般的管道只需做静力分析，即对管道进行静力学计算，并采用一定校核标准对应力计算结果进行评定。然而，使用不同的校核标准会得到不同的安全评定结论，因此，如何选择合理的校核标准是校核工作的前提和基础。

管道静力校核标准主要有两种：1）应力分类校核法；2）综合应力校核法。

1.2.1 应力分类校核法

不同的载荷源将引起不同形式的应力，而不同形式的应力对损伤破坏的影响也各不相同。根据产生应力载荷源的不同，可将应力分为一次应力和二次应力两大类[5]。

1）一次应力

一次应力主要由内压、外部载荷和偶然载荷等因素引起，它是平衡外力载荷所需要的应力，随着外力的增加而增加，其特点是非自限性[6]。当管道内的塑性区扩展到极限状态，使之变成几何可变的结构时，即使外力载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏[7-8]。

（1）持续载荷作用下的一次应力

管道中由压力、重力和其他持续载荷（如加速度）所产生的纵向应力之和不应该超过材料在预期最高温度下的许用应力，即

式中：P为管道设计压力，MPa；D为管道平均直径，mm；δ为管道的厚度，mm；i为应力增强系数；MA为压力、重力等持续载荷产生的弯矩，N·mm；W为截面模量，mm3。

（2）偶然载荷作用下的一次应力

偶然载荷也能产生一次应力。偶然载荷指的是风、地震和振动等载荷，此类荷载多系偶然发生，同时发生几率极小，在一般静力分析中，可不予考虑[9]。偶然载荷下的一次应力需满足式（2）的要求，即

式中：MB为偶然载荷产生的弯矩，N·mm；K为管道外径与内径之比，与运行压力波动有关，此处取1.2。对于内压圆筒，如果采用薄壁假设，K=1.2时的误差约为10%，这在工程上是允许的[10]。

2）二次应力

二次应力是由热胀冷缩、端点位移等位移载荷所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使得位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。一般来说，只要不反复加载，二次应力一般不会导致管道的直接破坏，而会引起疲劳破坏。值得注意得是：当位移载荷极大，局部屈服或小量变形不足以使得位移约束条件或者自身变形连续要求得到满足时，管道也可能在一次加载的过程中就发生破坏。

在管道的应力分析中，二次应力的校核是最基本的强度校核之一。通过对管道中二次应力的数值加以限制，可避免装置运行时发生的疲劳破坏。二次应力应满足公式（3）和公式（4）的要求[11]，即

式中：σE为位移应力，MPa；MC为热膨胀产生的弯矩，N·mm为常温下的许用应力，MPa；f表示某种函数。

1.2.2 综合应力校核法

将各种不同载荷引起应力按照一定的规则进行综合，得出一个合应力，这就是综合应力校核法。综合应力校核法包括两类：一类是解释断裂失效的，包括最大拉应力和最大伸长应变理论；另一类是解释屈服失效的，包括最大切应力理论、畸变能密度理论和米塞斯屈服准则等。相关文献表明[12]：考虑到管道的安全性和可靠性要求，米塞斯屈服准则最符合金属管道的特性分析。本文建议采用米塞斯屈服准则作为判据，进行管道应力计算分析，以获得更为安全的设计结果。公式（5）为米塞斯屈服准则的表达式。

式中：1σ、2σ、3σ分别为管道校核点在综合载荷（热、压力、偶然载荷等）作用下的三个方向的主应力，MPa。

2 应力计算与结果分析

2.1 部件参数

防冰进气管道所采用材料的性能参数见表1，其它温度点的材料性能参数可通过线性拟合获得。其密度为7 900 kg/m3，且不随温度变化。防冰系统设计工况为：位于燃气轮机接入点之后并且在阀门前的管路的温度为380℃，压力为2.3 MPa；阀后的管路的温度为480℃，压力为2.3 MPa；运行压力在1 MPa～2 MPa；设计流量为20 kg/s。

表1 不同温度下材料的性能参数

主管道设计成异径管，不同管径管道之间采用渐缩管连接，如图1所示。管道截面参数见表2。

表2 管道截面参数

图1 燃气轮机防冰进气管道模型

2.2 计算分析模型建立

某船舶燃气轮机防冰进气管道设计模型如图 1所示。由图 1可知：该设计管系为空间管系，但其大部分的主管道在同一平面内，且该管系具有一定的自补偿能力。需要指出的是：尽管在主机连接处的管系为连续的空间弯，具有很强的自补偿能力，但是由于主机连接处位移及力的要求，因此在管系设计过程中应考虑管系的位移变形对主机的影响。另外，管系中存在 2处阀门部件，为较大的集中质量载荷，在设计补偿时，应考虑这些部件的重力支撑及对管系力的杠杆作用。

2.2.1 应力补偿

应力补偿时，除了应保证应力在许用应力范围内，还要留有一定的应力补偿裕度，以保证系统安全运行。文献[13]的研究结果表明：与法兰相比，球形接头具有较强的应力和位移补偿能力，因此本文处理阀门部件时采用球形接头。

2.2.2 位移约束

系统较大的位移偏转量会导致管道与周围其他部位产生碰撞，甚至造成安全事故。因此，需要通过添加位移约束装置使得管道位移变形在相关标准规定的范围内。

横向支路上添加 5个膨胀节，主要用于位移补偿及应力释放。主管上添加12个限位器，除编号167与205的安装间隙为 20 mm，其他限位器的安装间隙为10 mm（编号80与100的限位器除外）。立管上添加72个限位器，限制其在局部坐标内前后的位移，上下位移无限制，前后最大位移不超过10 cm。主管上添加5个Grinnell Hanger弹性支架，用于支撑管道重量，其具有一定的弹性，并且不限制移动位移，不同节点处采用不同刚性系数和尺寸的支架。为了避免位移的传递及干扰，本文算例中设置 1个固定支撑点，该支撑点位于纵向支路的正中间，起到限制位移并支撑重量的作用。

根据以上内容，最终在CAEPIPE中最终建立如图2所示的燃气轮机防冰进气管道应力计算模型。

图2 基于CAEPIPE的管道应力计算模型

2.3 计算结果分析

2.3.1 位移分析

图 3为管道位移变形示意图，该图同时示意了各节点在系统中的位置。

表3～表5分别为主管限位器的位移值、竖管限位器的位移值以及弹性支架的位移值。由表 3可知：主管上的限位器沿着轴向的位移变化较小，最大为74.014 mm，满足设计要求；由表 4可知：立管中的限位器左右的最大位移均未超过10 cm，满足设计要求；由表5可知：水平主管道上的弹性支架的最大位移未超过10 cm，满足设计要求。

值得注意的是：弹性支架对应的节点分别为 11、47、71、117、211，该支撑的主要作用是基于承重及工艺方面的考虑，具体的安装位置可结合工艺要求进行相应的调整。

根据图3，结合表3～表5可知：管道位移较小，位移变形在规定的范围内，满足设计要求。

图3 管道的位移变形示意图

表3 限位器的热位移值

表4 立管限位器的相对位移值（部分）

表5 弹性支架的位移值

2.3.2 应力评定

对于本文的燃气轮机防冰进气管路算例，由图 4所示的管道应力分布图可知：在弯管处、质量集中点等位置出现了应力集中；应力最大位置出现在弯管处，最大应力为91.43 MPa。结合线性拟合的方法和表1的数据，可得：当温度为 380℃时，材料的许用应力为139 MPa，此时最大应力为许用应力的 65.76%；当温度为480℃时，材料的许用应力为129 MPa，此时最大应力为许用应力的70.87%。最大应力在许用范围内，满足管道安全评定要求。

图4 管道应力分布图

3 结论

本文在考察船舶燃气轮机防冰进气管道的使用条件和运行情况的基础上，基于管道有限元分析软件CAEPIPE，对防冰进气管道进行建模和应力分析，通过添加膨胀节、限位器和弹性支架的方式进行管道补偿设计，并根据计算结果对管道应力进行评定。结果表明：CAEPIPE能有效地模拟管道的力学性能，可为船舶燃气轮机防冰管道设计节约成本；补偿后管道在设计工况载荷下的应力与位移均满足相关要求，本文所提出的补偿方案合理可行。

参考文献：

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[12] 刘红文. 材料力学[M]. 北京: 高等教育出版社,2003.

[13] 刘娟, 蒋彦龙, 施红, 等. 大型客机空气导管应力分析与结构优化[J]. 计算机仿真, 2013, 30(1):128-131, 196.