利用CAESARII软件对汽轮机进汽管道进行分析.pdf

山东豪迈化工技术1利用 CAESARII 软件对汽轮机进汽管道进行分析闫付鹏，山东豪迈化工技术有限公司摘要：汽轮机进汽管道介质一般为高温高压蒸汽，通过合理的管道走向、支吊架设置、柔性设计可以使其应力在规范的许用应力范围内，同时使汽轮机管口荷载符合制造商的要求或 NEMA SM23 的要求，本文利用应力分析软件 CAESAR对汽轮机进汽管道进行应力分析，验证其柔性设计和支吊架设置是否满足 NEMASM23 和制造厂商给出的受力要求，为汽轮机的安全运行提供理论和数据依据。汽轮机在石化行业应用非常广泛，是装置运行的关键设备，汽轮机是离心式压缩机、往复式压缩机等东设备的主要动力来源，他的主要功能是将余热蒸汽的热能转化成机械动能，汽轮机属于动设备，由于汽轮机转速较高，受力敏感，因此对进气和排气管道的设计有较高的要求，如果管道布置不当，其对汽轮机的作用力超出其所能承受的范围，容易导致汽轮机的机壳产生变形、位移，进而导致定子与转子发生偏心、间隙变化，引起机组及管道系统的强烈震动，有引发事故的危险，影响正常的生产。汽轮机的受力限制一般有制造厂提出或参考美国电器制造商协会标准 NEMA SM23，本文针对采用 CAESAR软件对某项目汽轮机进气高温管道的受力情况进行应力分析，通过柔性设计和设置支吊架，使汽轮机进气管口的受力情况满足汽轮机的受力要求要求，从而保证汽轮机正常安全运行。1NEMA SM23 对汽轮机管口受力的限制定义机轴的方向为 X 方向，铅锤直方向为+Y，汽轮机各管口受力必须满足下列各项要求。作用于任一管口上的合力及合力矩应满足以下要求：0.9144FR+MR26.689De式中De当量直径，mm；FR单个管口上的合力，当接管采用无约束膨胀节时应包括压力产生的作用力（凝汽式汽轮机垂直向下的出口可不考虑膨胀节内压推力），N；MR单个管口上的合力矩，Nm。当管口直径小雨或等于 200mm 时，De=管口公称直径；当管口公称直径大于 200mm 时，De=管口直径+400）/3。2z2y2xRYYYF；2z2y2xRMMMM式中 Fx、Fy、Fy单个管口上 X、Y、Z 方向的作用力NMx、My、Mz单个管口上 X、Y、Z 方向的力矩，Nm。1.1 进汽口、抽气口和排汽口上的力和力矩合成到排汽口中心处的合力就合力矩应满足以下条件：0.6096Fc+Mc13.345De式中Fc进汽口、抽汽口和排汽口的合力，N；Mc进气口、抽汽口和排汽口的力和力矩合成到排汽口中心处的合力矩，Nm；Dc按公称直径计算得到的各管口面积之和的当量直径，mm。当各管口面积只和折合成圆形的折算直径小于或等于 230mm 时，Dc=折算直径；当各管口面积之和折合成圆形的折算直径大于 230mm 时，Dc=（折算直径+460）/3。2当代化工2014 年 0 月21.2Fc和 Mc在 X、Y、Z 三个方向的分力和分力矩应满足以下条件：|Fcx|8.756Dc|Mcx|13.345Dc|Fcy|21.891Dc|Mcy|6.672Dc|Fcz|17.523Dc|Mcz|6.672Dc式中Fcx、Fcy、FczFc在 X、Y、Z 三个方向上的分力，N；Mcx、Mcy、MczMc在 X、Y、Z 三个方向上的分力矩，Nm。1.3对于具有向下排汽口的凝汽式汽轮机，其排汽口安装无约束膨胀节时，允许存在由压力引起的附加力（此附加力垂直于派出口法兰面并作用于中心）。对于此种汽轮机进行 1、2 两项的校核中，计算排汽口上的垂直力时不包括压力荷载。对于具有向下排汽口的凝汽式汽轮机，还应进行如下校核：同时考虑压力荷载和其他荷载时，如果作用于排汽口的垂直分力不超过排汽口面积的 0.1069 倍，则认为压力荷载在排汽口英气的作用力是允许的。力的单位是 N，面积单位为 mm。NEMA SM23 是对机器制造厂家的基本要求,是厂家必须要保证的，但从多年石化装置的配管工程实践中看管道的布置常常难以达到此要求因此一般会在汽轮机技术谈判时要求厂家将汽轮机的允许受力及力矩放大到 NEMA SM23 标准的 2 倍并且要落实到图纸上或协议及纪要里4。本文中采用的汽轮机是杭州中能汽轮动力有限公司提供的，厂家给出了汽轮机的安装要求和受力要求。2汽轮机进汽管线参数及受力要求2.1进汽管线参数管道介质为中压蒸汽，管道介质密度 11.6Kg/m，管道材质为 15CrMo，管径为 1146.0mm，管道的设计压力为 3.82MPa，设计温度为 460，保温厚度为 100mm，保温材料密度 200Kg/m管道材质许用应力冷态为 110 MPa 热态为 61 MPa。2.2汽轮机进汽管口的受力要求进汽管道对汽轮机的作用力在 X、Y、Z 方向均不超过 2500N汽轮机进汽管口（节点 260）的初始位移见表 1表 1 汽轮机蒸汽管口（节点 260）的初始位移表 1（mm）管口节点XYZ进汽管口260-2.7+0.1+3.22进汽管道设计对于汽轮机的进汽管道，一般不可考虑设置膨胀节，应靠自身的柔性吸收管道的热胀量和管嘴的附加位移因此进汽管线在引至汽轮机前，应沿着机轴方向走一段水平距离后，绕形，然后进入汽轮机，以增加其柔性，同时进汽管道的布置与是否有入口分液罐有关，如果汽轮机入口上有分液罐，乐意把分液罐作为固定点考虑入口管道的布置；如果没有入口分液罐，则进汽管道需要从管带引入，应在汽轮机附近的蒸汽管带上设置固定点，如节点 20，除了在+Y 方向有约束外，还在 Z 方向进行约束。由于汽轮机距离产3汽锅炉比较远，进汽管道产生的压降和温降比较大，为了提高进汽管道中蒸汽在进入汽轮机时的温度，在其进入汽轮机前，需要把大量蒸汽放空，一般会在汽轮机进汽法兰前的主蒸汽管道上接出一个带双阀门的放空管，放空管线在汽轮机正常工作时，其管线上的阀门应是闭合状态，因此放空管道处于冷态，由于其特殊的工艺特性，为了降低其不同工况对汽轮机的影响，应在满足要求的情况下使其尽量远离进汽管嘴，本设计在节点 70 出引出放空管。根据进汽管口的受力要求及设计管道走向并编制节点号，选取支吊架型式，并在 CAESAR软件中建立三维模型，如图 1。图 1 汽轮机进汽管道三维模型由进汽管口的热膨胀量可知在 X、Z 方向均有初始位移，因此在进汽管口管道下方节点 225 处设置限位支吊架如图 2，对管道的 X 和 Z 方向进行约束，生根在汽轮机框架基础上，其中+X 和+Z 方向管托与梁之间不留间隙，这样可以减小管道对汽轮机管口的作用力，从而减少管道对汽轮机的推力，也减少了汽轮机对与之相连的压缩机推力。图 2 限位支吊架俯视图由于汽轮机管口在 Y 方向有位移，因此进汽管道在竖直方向也有位移，如果采用刚性支吊架会造成管道的脱空或者顶死，从而造成相邻支吊架或者汽轮机管嘴的受力增加，严重时会导致其被破坏，因此在节点 190 处选择弹簧支吊架，使支吊架在承受一定载荷的情况下又允许管系有一定的竖向位移，增加了管道4当代化工2014 年 0 月4的柔性。节点 165 与节点 145 和节点 70 与节点 40 之间水平管道拐弯且其跨度较大，因此在节点 160 和节点 50 的位置分别采用假管支托，生根在框架上，用于进行支撑承重。3应力计算及分析管系静应力分析主要包括一下内容压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算防止管道元件局部发生。管道热胀冷缩以及端点附加位移等荷载作用下的二次应力计算防止管道元件发生疲劳破坏；管道对相连设备的作用力计算防止管系对相连设备的作用力太大，保证设备正常运行；管道支吊架的受力计算为支吊架强度设计提供荷载数据；管道上法兰的受力计算防止法兰泄漏。在 CAESAR应力分析软件中根据管道设计建好三维模型，输入管道工艺参数，设置好边界条件，选择需要计算的工况，对进汽管线进行一次应力和二次应力校核，运行应力分析软件，得出管系计算应力概要如图 3，汽轮机进汽管口节点约束力以及位移报告如图 4，为保证汽轮机的正常运行，汽轮机管口的受力要求必须满足 NEMA SM23 的要求，同时也要满足制造厂商给出的受力要求。图 3 应力概要5图 4 汽轮机进汽管口荷载及位移由图 2 可以看出，汽轮机进口管线的一次应力和二次应力三维最大应力均没有超出其需用应力范围，一次应力的三维最大应力在节点 70，其规范计算应力与许用应力的百分比为 57.5%，二次应力的三维最大应力在节点 360，其规范计算应力与许用应力的百分比为 39.4%；由图 3 得出汽轮机管口的力和力矩，将其数据带入 1 中各关系式可以验证均满足 NEMA SM23 的受力要求，同时将数据与厂家给的受力要求做比较，符合要求。4结论汽轮机受力情况比较特殊，因此汽轮机进汽管道在设计时既要考虑高温高压蒸汽管道的设计要求，同时也要考虑汽轮机的受力要求，通过设计管道的走向，选择合理的支吊架，使进汽管道柔性和受力符合要求，保证汽轮机的正常运行