黎汝堅(jiān) 王玉強(qiáng) 魏東升 王旭東

【摘 要】以某工程的燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣管道為例，使用Autopipe應(yīng)力分析軟件對管道靜態(tài)荷載及地震荷載進(jìn)行計(jì)算。通過對同一套管道模型加載不同地震荷載，對比分析地震荷載對管道應(yīng)力集中點(diǎn)的影響。通過選用阻尼器，最大限度的降低地震工況對管道的破壞，根據(jù)分析結(jié)論選擇合理的阻尼器，進(jìn)一步優(yōu)化管道設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】地震載荷 應(yīng)力分析 阻尼器 Autopipe

燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣取自于壓氣機(jī)末級排氣，該部分空氣經(jīng)過外部冷卻后，返回燃?xì)廨啓C(jī)本體，對高溫部件進(jìn)行冷卻。冷卻空氣參數(shù)較高，管道設(shè)計(jì)壓力達(dá)到2.2MPaG，冷卻器前管道設(shè)計(jì)溫度達(dá)到505℃，冷卻器后的管道設(shè)計(jì)溫度達(dá)到350℃。而且冷卻空氣管道布置空間很受限制，運(yùn)行中管道易受到集中應(yīng)力的作用發(fā)生失效。

1 管道載荷的主要類型

根據(jù)荷載作用的性質(zhì)，可以分為靜力荷載和動(dòng)力荷載。靜力荷載是緩慢的、毫無振動(dòng)的加載管道上的荷載，它的大小和位置與時(shí)間無關(guān)，或者是極為緩慢的變化，而可略去慣性力的影響，不使管道產(chǎn)生顯著運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力荷載是指隨時(shí)間有迅速變化的荷載，使管道產(chǎn)生顯著的運(yùn)動(dòng)，而且必須考慮慣性力的影響，例如管道的振動(dòng)，管內(nèi)水沖擊，閥門突然關(guān)閉時(shí)的壓力沖擊，安全閥排汽時(shí)的沖擊以及地震等[1]。

2 管道校核標(biāo)準(zhǔn)

在 Bentley AutoPIPE 軟件中，電廠管道選擇的應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為美國ASME B31.1 動(dòng)力管道標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，剪切許用應(yīng)力值不應(yīng)大于規(guī)則所確定的應(yīng)力值的80%。擠壓許用應(yīng)力值不應(yīng)大于此應(yīng)力值的160%[2]。校核分為一次、二次及峰值應(yīng)力校核。

管道一次應(yīng)力由內(nèi)壓、自重引起，要求不得超過設(shè)計(jì)溫度下管材的許用應(yīng)力，即S L ≤ Sh（其中，Sh為管材的許用應(yīng)力，N/mm^2 ；SL 為由壓力引起的縱向應(yīng)力與重力、風(fēng)荷載等外載在管道中產(chǎn)生的縱向彎曲應(yīng)力之和，N/mm^2）。

管道二次應(yīng)力由純熱態(tài)應(yīng)力引起，要求不得超過許用應(yīng)力范圍，即SE ≤ SA=f *（1.25Sc+0.25Sh）（其中，SE 為許用應(yīng)力范圍，N/mm^2 ；SA 為管材在20℃時(shí)的許用應(yīng)力，N/mm^2，Sc為管材在冷態(tài)工況下的許用應(yīng)力，N/mm^2；Sh為管材在熱態(tài)工況下的許用應(yīng)力，N/mm^2； f為預(yù)期壽命內(nèi)，考慮循環(huán)總次數(shù)影響的許用應(yīng)力范圍減少系數(shù)）。

在運(yùn)行期間，由內(nèi)壓、活荷載和固定荷載以及偶然荷載，例如臨時(shí)支承件的額外重量，產(chǎn)生的縱向應(yīng)力的總和可以超過許用應(yīng)力表給定的許用應(yīng)力值[2]。應(yīng)滿足SL+SB ≤ kSh（其中，SB為偶然荷載的總和；N/mm^2，對于在任一時(shí)期內(nèi)作用時(shí)間不大于1h和每年不大于80h的臨時(shí)荷載，K=1.2）。

3 實(shí)例分析

3.1 靜力分析

已知管道設(shè)計(jì)壓力2.2MPaG，冷卻器前管道設(shè)計(jì)溫度505℃，冷卻器后管道設(shè)計(jì)溫度350℃，輸入各管段保溫厚度、材質(zhì)以及端點(diǎn)初始位移，建立的管道模型見圖1。經(jīng)靜力分析，管道各節(jié)點(diǎn)的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均滿足要求，數(shù)據(jù)如下（表1）。

3.2 加載地震荷載 （0.1g）

對上述管道的布置方式及支撐類型不作修改，在管道模型中加載0.1g地震荷載，經(jīng)受力分析，管道各節(jié)點(diǎn)的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力均滿足要求，數(shù)據(jù)如下（表2）。

3.3加載地震荷載 （0.2g）

對上述管道的布置方式及支撐類型不作修改，在管道模型中加載0.2g地震荷載，經(jīng)受力分析，管道各節(jié)點(diǎn)的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均滿足要求。但由地震荷載而產(chǎn)生的峰值應(yīng)力超出允許值1.34倍，應(yīng)力分析結(jié)果不合格，數(shù)據(jù)如下（表3）。

3.4 修改管道模型

對管道系統(tǒng)加載0.2g地震荷載后，管道峰值應(yīng)力超出允許范圍，應(yīng)力分析結(jié)果不合格。經(jīng)分析，導(dǎo)致這種情況的主要原因是冷段管道上設(shè)置了1套重達(dá)5000kg的冷卻空氣過濾器，該設(shè)備設(shè)置了非固定式結(jié)構(gòu)支撐，在地震荷載的作用下，Z方向產(chǎn)生較大的瞬態(tài)荷載。

為降低地震荷載對管路系統(tǒng)的影響，在冷卻空氣過濾器支撐位置增加1處Z方向（空氣過濾器軸向方向）的液壓阻尼器。液壓阻尼器是一種對速度反應(yīng)靈敏的振動(dòng)控制裝置，主要適用于核電廠、火電廠等的管道及設(shè)備的抗振動(dòng)，常用于控制沖擊性的流體振動(dòng)和地震激擾的管路振動(dòng)。

修改后的管道模型見圖2. 經(jīng)受力分析，管道各節(jié)點(diǎn)的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力均滿足要求。在0.2g地震荷載下，阻尼器的對冷卻空氣過濾器產(chǎn)生Z方向約21KN的反力。數(shù)據(jù)如下（表4）。

4 結(jié)語

通過對同一套管道模型加載不同地震荷載，對比分析地震荷載對管道應(yīng)力集中點(diǎn)的影響。隨著地震荷載的增大，與非固定式設(shè)備相連的管道由于慣性力的影響，易出現(xiàn)峰值應(yīng)力不合格的情況。根據(jù)Autopipe軟件分析結(jié)果，在設(shè)備處加設(shè)合理的阻尼器，能有效減小管道系統(tǒng)的峰值應(yīng)力，降低地震荷載對管道的破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王致祥，梁志釗，孫國模，文啟鼎.管道應(yīng)力分析與計(jì)算.北京：水利電力出版社，1983.

[2] 美國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會.ASME B31.3-2007 POWER PIPING.

[3] 許強(qiáng)，黃坤，盧泓方 等 AutoPIPE 在天然氣增壓站中的應(yīng)用.中國國際管道會議，2013.