袁斌霞, 唐家志, 孫家啟, 吳臻茂, 沈 紅

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

基于CAESAR II的中低壓缸輸氣管道的設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析

袁斌霞, 唐家志, 孫家啟, 吳臻茂, 沈 紅

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

以美國工藝管道標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3—2012為設(shè)計(jì)依據(jù),進(jìn)行了管道的壁厚設(shè)計(jì)和應(yīng)力校核.同時,采用Caesar II對600 MW汽輪機(jī)的中低壓缸輸氣管道建立模型,考察不同曲率的彎管和三通管道對管道應(yīng)力的影響,并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件,進(jìn)一步對管道的安裝工況和使用工況進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析.

中低壓缸; 輸氣管道; 應(yīng)力分析

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,用電需求的增大,帶動了我國電力行業(yè)的迅猛變化,用電模式也發(fā)生了相應(yīng)的變化,從而導(dǎo)致調(diào)峰能力較差.而超(超)臨界機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行,導(dǎo)致汽輪機(jī)組的工作條件更加惡劣[1].目前,工業(yè)和生活用電大部分依靠火力電站和核電站,而絕大多數(shù)的火力電站和核電站發(fā)電是以加熱蒸汽推動的.

在主蒸汽管道中,彎管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壽命設(shè)計(jì)非常重要.由于彎管部分的應(yīng)力較為復(fù)雜且分布不均,導(dǎo)致彎管的外弧面容易發(fā)生破壞,加上主蒸汽管道受到溫度和壓力等多種因素的影響,難以進(jìn)行彎管壽命的預(yù)測.因此,在實(shí)際應(yīng)用中,將主蒸汽管道抽象為薄壁環(huán)管和以周向應(yīng)力為主導(dǎo)應(yīng)力,便于對主蒸汽管的彎管進(jìn)行應(yīng)力分析和壽命預(yù)測.在高蒸汽參數(shù)的電廠、電站中,蒸汽管道一直是金屬技術(shù)監(jiān)督工作的主要對象[2-4].增加主蒸汽管道的使用年限是增加機(jī)組的使用壽命和降低其維修成本的重要環(huán)節(jié).近年來,一些超期運(yùn)行蒸汽管道爆炸事故接連發(fā)生,同樣使對老齡化蒸汽管道剩余壽命的研究提上了議事日程[5].

CAESAR II以材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、有限元管道應(yīng)力分析與計(jì)算等為基礎(chǔ),用于管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和靜動態(tài)受力分析,是目前使用最多的管道設(shè)計(jì)和分析軟件[6-7].

本文主要采用美國工藝管道標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3—2012為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[8],進(jìn)行管道的壁厚設(shè)計(jì)和應(yīng)力校核.同時,采用Caesar II對600 MW汽輪機(jī)中低壓缸輸氣管道進(jìn)行建模,考察不同曲率的彎管和三通管道及焊接方式等參數(shù),并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件,對管道的安裝工況和使用工況進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析.

1 管道壁厚的設(shè)計(jì)

1.1 材料的選擇

該管道采用的是ASTM A106B,是一種用于高溫下的無縫碳素鋼鋼管.其安裝溫度下的基本許用應(yīng)力為137.895 MPa,設(shè)計(jì)溫度(328 ℃)下的基本許用應(yīng)力為121.513 MPa[8].與國內(nèi)20#鋼的性能相近.

1.2 直管的壁厚設(shè)計(jì)

由于三通管道是由3段直管焊接成形的,其壁厚設(shè)計(jì)可根據(jù)直管壁厚來確定.彎管基本采用反變形法冷彎或熱彎,彎曲部分外側(cè)壁厚減薄、內(nèi)側(cè)壁厚增厚,因此不能直接由直管的壁厚計(jì)算公式確定,必須進(jìn)行修正,要求彎曲部分的外側(cè)壁厚大于直管的最小壁厚.

假定汽輪機(jī)中低壓缸輸氣管道的管道外徑Do=2 000 mm,設(shè)計(jì)溫度為328 ℃,設(shè)計(jì)壓力P=1.1 MPa.

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)承受內(nèi)壓的直管設(shè)計(jì)壁厚應(yīng)為：

(1)

式中:T——直管管壁設(shè)計(jì)壁厚,mm;Tc——直管管壁理論計(jì)算壁厚,mm;C1——壁厚負(fù)偏差附加量,1.5～2.5,mm;C2——腐蝕或磨蝕裕度附加量,mm;C3——加工裕量附加量,有螺紋或其他機(jī)械加工時,為螺紋牙高或加工深度及其加工負(fù)偏差之和.

當(dāng)Tc

(2)

式中:P——設(shè)計(jì)壓力,MPa;Do——直管外徑,mm;S——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa;E——焊縫質(zhì)量系數(shù),見表1,對于無縫鋼管,E=1.0;Y——溫度影響系數(shù),當(dāng)Tc

表1 焊縫質(zhì)量系數(shù)

表2 溫度影響系數(shù)

由于該蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度為328 ℃,由表2選取得Y=0.4.采用電熔焊的局部射線照相檢驗(yàn),E=0.85.因此,

10.605mm

根據(jù)高溫氣體通過的管道內(nèi)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為15.266 mm.

1.3 彎管的壁厚設(shè)計(jì)

直管經(jīng)彎曲后所需的最小厚度Tm可由式(1)和式(3)來確定.

(3)

在內(nèi)弧面(變管半徑內(nèi)側(cè)):

(4)

在外弧面(變管半徑外側(cè)):

(5)

式中：I——彎管中心線半徑,I=1.0;R1——焊接彎頭或彎管的彎曲半徑,R1=2 000;

W——焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)(或焊縫系數(shù)),指焊縫接頭失效的名義應(yīng)力與母材失效的名義應(yīng)力的比值.

對于所有材料,當(dāng)溫度小于510 ℃時,W等于1.0;當(dāng)溫度為815 ℃時,W等于0.5;當(dāng)溫度位于510～815 ℃時,通過線性插值求出W的值;當(dāng)溫度大于815 ℃時,由設(shè)計(jì)者自行確定W.

變管半徑內(nèi)側(cè)為:

(6)

將式(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

變管半徑外側(cè)為：

(7)

將式(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,彎管道的最小壁厚為13.11 mm.

2 管道壁厚的強(qiáng)度檢驗(yàn)

根據(jù)強(qiáng)度理論,管道的理論壁厚是指承受一定內(nèi)壓時所需的最小厚度.從管壁的應(yīng)力分析可知,其應(yīng)力復(fù)雜,強(qiáng)度是由幾個主應(yīng)力綜合決定的.因此,可通過比較管壁厚度與計(jì)算所得最小壁厚,驗(yàn)算其設(shè)計(jì)的合理性.

驗(yàn)算管道壁厚強(qiáng)度,以彎管T=13.110mm為最小壁厚.

直管內(nèi)徑:

Dn=D-2T=2 000-2×15.266=

1 969.468 mm

在進(jìn)行應(yīng)力校核時,常采用4大強(qiáng)度理論:一是最大拉應(yīng)力理論,適用于脆性材料,例如鑄鐵;二是最大伸長線應(yīng)變理論,只要極少數(shù)脆性材料復(fù)合,應(yīng)用很少;三是最大切應(yīng)力理論,適用于塑性材料,例如低碳鋼,形式簡單,應(yīng)用極為廣泛;四是畸變能密度理論,適用于大多數(shù)塑性材料,比第3強(qiáng)度理論準(zhǔn)確,但不如第3強(qiáng)度理論方便.本文采用ASTM A106B,屬于塑性材料,因此,采用第3和第4強(qiáng)度理論來進(jìn)行校核.

2.1 按最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論檢驗(yàn)管道理論壁厚計(jì)算公式

由內(nèi)壁應(yīng)力確定的理論壁厚計(jì)算式為:

7.951 mm≤[T]

(8)

由平均應(yīng)力確定的理論壁厚計(jì)算式為:

(9)

2.2 按變形能強(qiáng)度理論檢驗(yàn)管道理論壁厚計(jì)算公式

以內(nèi)壁應(yīng)力確定的管道理論壁厚計(jì)算式為:

(10)

由平均應(yīng)力確定的管道理論壁厚計(jì)算式為:

由此可見,通過第3和第4強(qiáng)度校核表明能滿足強(qiáng)度和應(yīng)力需求.因此,所設(shè)計(jì)的管道壁厚符合使用要求.最終確定的輸氣管道尺寸如圖1所示.

3 CAESAR II建模和應(yīng)力分析

3.1 管道建模

采用CAESARⅡ建模和計(jì)算分析時,首先要對管道進(jìn)行分段,并設(shè)定節(jié)點(diǎn)和編號,以便對每個重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.其次,輸入每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的參數(shù).其基本參數(shù)主要包括各管道元件的長度、壁厚、管徑、計(jì)算溫度、安裝溫度、絕熱層厚度和密度、介質(zhì)密度、管道材質(zhì)密度、材料牌號、泊松比、彈性模量、許用應(yīng)力等,并根據(jù)實(shí)際使用情況,設(shè)定對應(yīng)的邊界條件和約束類型.

管道的基本數(shù)據(jù)如下:管道的外徑為2 000 mm,管壁厚為15.266 mm,管道的安裝溫度為328 ℃,壓力為1.1 MPa,管道的材料為ASTM A106B.考慮到中低壓輸氣管道是通過法蘭連接中低壓汽輪機(jī),因此可簡化為固定端的約束(或全面約束),可選擇ANC的約束方式.圖2為中低壓缸的最終輸氣模型.

圖2 輸氣管道模型

建完模型后,首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查.數(shù)據(jù)檢查主要包括兩個作用:一是檢查輸入的數(shù)據(jù)是否有誤;二是獲得后續(xù)應(yīng)力分析的執(zhí)行數(shù)據(jù)文件.在數(shù)據(jù)檢查過程中,可能出現(xiàn)3種提示:“Warining”指警告錯誤;“Fatal Error”指致命性錯誤(必須返回修改);Note指“需注意的問題”.因此,在檢查過程中,如果出現(xiàn)Fatal Error,必須返回到管道設(shè)計(jì)界面進(jìn)行修改.如果出現(xiàn)Warining,雖不影響后續(xù)應(yīng)力分析的程序運(yùn)行,但最好認(rèn)真檢查,以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性.表3為警告錯誤提示.

表3 警告錯誤提示

3.2 靜態(tài)應(yīng)力分析

靜態(tài)應(yīng)力分析主要指管道自重(包括保溫材料、管內(nèi)流體重量)、內(nèi)壓、熱膨脹、端點(diǎn)位移、集中荷載(閥門、法蘭等)等荷載在節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的應(yīng)力、位移、力、力矩等.本文主要分析以下3種工作條件:

(1) 使用工況L1=W+t1+P1,可得到管道對邊界的推力(W為管道的自身重量;t1為管道的工作溫度;P1為管道的工作壓力);

(2) 一次應(yīng)力計(jì)算工況L2=W+P1,可得到管道中各點(diǎn)的一次應(yīng)力值;

(3) 二次應(yīng)力計(jì)算工況L3=L1-L2,可得到管道中的二次應(yīng)力值.

本文通過選擇不同工作條件的節(jié)點(diǎn)、載荷與應(yīng)力3方面進(jìn)行綜合分析,獲得應(yīng)力分析報告,得出的結(jié)果都符合應(yīng)力和位移要求.

4 結(jié) 論

(1) 采用美國工藝管道標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3—2012為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),確定了管道的最小壁厚為15.226 mm；

(2) 采用最大剪應(yīng)力和變形能強(qiáng)度理論校核最小壁厚,得出的相應(yīng)厚度都小于設(shè)計(jì)計(jì)算的厚度,符合設(shè)計(jì)要求；

(3) 利用CAESAR II軟件對管道應(yīng)力場分布進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析,得出的結(jié)果都符合靜態(tài)應(yīng)力要求.

[1] 支小牧,寇可新,曹向欣.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測、壽命管理及優(yōu)化啟動的研究[J].動力工程,2000(1):543-548.

[2] 熊先仁,馬兆偉.主蒸汽管道壽命評估發(fā)展現(xiàn)狀[J].江西科學(xué),1994(3):23-27.

[3] 楊厚君,李正剛,林介東.電阻法在金屬材料蠕變損傷檢測中的應(yīng)用[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報,1999,32(6):74-77.

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[5] 孫煥青,張珍年.汽輪機(jī)主蒸汽管道的應(yīng)力分析與配管設(shè)計(jì)[J].廣州化工,2012,40(11):165-167.

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[7] 高智勤.CAESAR Ⅱ在管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J].廣東化工,2014(15):213-214.

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

(編輯 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

簡介：袁斌霞(1986-),女,博士,甘肅涇川人.主要研究方向?yàn)楣怆姴牧虾推骷?E-mail:yuanbinxia100@163.com.

TK263.5

A

1006-4729(2016)06-0524-05