丁賢虎 陳定千 何 寧

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，江蘇 無錫 214151）

1 前言

汽輪機(jī)主蒸汽管道在一定的壓力和溫度條件下工作。作用于主蒸汽管道的載荷有：管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的壓力，管子重量（包括閥門、三通、法蘭和保溫材料等）產(chǎn)生的均布載荷，管道支吊架產(chǎn)生的反力；此外，還有管道溫度變化熱脹冷縮約束產(chǎn)生的熱載荷，管道安裝施工時各部分尺寸誤差產(chǎn)生的安裝殘余應(yīng)力等等。

對新建設(shè)的汽輪機(jī)臺位的主蒸汽管道進(jìn)行管道應(yīng)力計算，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)校核管道應(yīng)力有著重要的意義。本文用ANSYS PIPING MODELS 對南京汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司某工業(yè)汽輪機(jī)空載試驗主蒸汽管道進(jìn)行建模和應(yīng)力計算。

2 機(jī)組參數(shù)及材料計算參數(shù)

圖1 主蒸汽管道簡圖

表1 非彈簧支吊架應(yīng)力計算結(jié)果

表2 彈簧支吊架應(yīng)力計算結(jié)果

表3 管道對汽輪機(jī)進(jìn)口的推力

圖2 管道一次應(yīng)力圖

圖3 管道二次應(yīng)力圖

表4 管道最大MISES應(yīng)力（MPa）

該汽輪機(jī)為350MW汽輪發(fā)電機(jī)組鍋爐給水泵驅(qū)動用單缸、單軸、沖動、凝汽式汽輪機(jī)，額定功率為4.2MW。供汽壓力為2.0MPa，供汽溫度為220℃。汽輪機(jī)主蒸汽管道形式如圖1所示。

汽輪機(jī)空載試驗主蒸汽管道母管材料為12Cr1MoV，規(guī)格為Φ159mm×8mm。20℃時，彈性模量為2.08×105MPa，許用應(yīng)力為157MPa。220℃時，彈性模量為1.99×105MPa，許用應(yīng)力為149MPa。20℃～220℃的線膨脹系數(shù)為13.76×10-6/℃。

汽輪機(jī)空載試驗主蒸汽管道支管管材為20號鋼，規(guī)格為Φ108mm×4.5mm。20℃時，彈性模量為1.98×105MPa，許用應(yīng)力為131MPa。220℃時，彈性模量為1.734×105MPa，許用應(yīng)力為126 MPa。20℃～220℃的線膨脹系數(shù)為12.252×10-6/℃。

3 管道應(yīng)力分析的評定準(zhǔn)則

3.1 管口推力的判定

定義汽輪機(jī)機(jī)軸方向為X方向，鉛垂向上方向為+Y，則根據(jù)NEMA SM23對汽輪機(jī)管口受力的要求，作用于汽輪機(jī)進(jìn)口的合力和合力矩應(yīng)滿足：

其中，F(xiàn)r為接口處三向推力的合成力，N；Mr為三向推力矩的合成力矩，N·m；De為當(dāng)量直徑，mm；當(dāng)管口公稱直徑不大于200時，De=管口公稱直徑；當(dāng)管口公稱直徑大于200時，De=（管口公稱直徑+400）/3。

3.2 管道應(yīng)力的判定

在管道應(yīng)力校核中，根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的載荷不同，管道應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。管道應(yīng)力合格的判定標(biāo)準(zhǔn)是：一次應(yīng)力和二次應(yīng)力必須合格。管道的一次和二次應(yīng)力分別用以下兩個不等式來判別。

式中，σ1，σ2—分別為管道的一次和二次應(yīng)力，MPa ；[σ]20， [σ]t—管材在20℃及設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa；f—應(yīng)力范圍減小系數(shù)，它與管道全溫度周期性交變次數(shù)N有關(guān)，當(dāng)N≤2500時，可取f=1。

4 管道的應(yīng)力計算與分析

4.1 管道計算模型

管道的應(yīng)力計算采用ANSYS PIPING MODELS，根據(jù)試驗現(xiàn)場的條件，管道計算模型從蒸汽管道母管的兩個固定點(diǎn)開始，到汽輪機(jī)主蒸汽進(jìn)汽口結(jié)束，如圖1所示。其中包括直管段、彎管段、閥門、大小頭和支管段，支吊架有彈簧支架、導(dǎo)向支架、固定支架和滑動支架。

4.2 管道應(yīng)力分析

根據(jù)計算參數(shù)對管道在熱態(tài)和冷態(tài)狀況下進(jìn)行應(yīng)力計算。得到如下結(jié)論：

4.2.1 管道非彈簧支吊架應(yīng)力計算值見表1。

4.2.2 管道彈簧支吊架應(yīng)力計算值見表2。

4.2.3 管道對汽輪機(jī)進(jìn)口的推力見表3。

根據(jù)表3的結(jié)果，可以計算出，在熱態(tài)下0.9144Fr+Mr=1078N·m；在冷態(tài)下0.9144Fr+Mr=251N·m。汽輪機(jī)進(jìn)口公稱直徑為300mm，可知26.689De=6227N·m。所以汽輪機(jī)在熱態(tài)和冷態(tài)下，都是滿足管口推力的判定準(zhǔn)則的。

4.2.4 管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力計算結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2 ， 3可知，管道的一次應(yīng)力為21.25 MPa，二次應(yīng)力為63.18 MPa。再根據(jù)式（2）和式（3），可得表4。

從表4可以看出，設(shè)計的汽輪機(jī)管道滿足管道應(yīng)力的判定準(zhǔn)則。

結(jié)語

本文用ANSYS PIPING MODELS對南京汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司某工業(yè)汽輪機(jī)空載試驗主蒸汽管道進(jìn)行建模和應(yīng)力計算，計算結(jié)果表明整個主蒸汽管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力均低于許用值。而且，汽輪機(jī)管口推力也滿足要求。因此此主蒸汽管道設(shè)計較合理，能滿足機(jī)組的安全運(yùn)行。

[1]劉純，胡波濤.應(yīng)用ANSYS計算汽水管道應(yīng)力[J].鍋爐技術(shù)，2005（04）：31-33.

[2]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢驗總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局.全國壓力管道設(shè)計審批人員培訓(xùn)教材[M].北京：中國石化出版社，2005.

[3]賈蕓，許敏宇，童金生.多參數(shù)、多分支蒸汽管道系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（26）：102-103.

[4]王致祥.管道應(yīng)力分析與計算（Stress analysis and calculation of piping）[M].北京：水利電力出版社，1983.

[5]DL/T5054-1996，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].