汽轮机蒸汽管道的应力分析与设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

由于汽轮机属于转动机器，其转速很高，为了保证汽轮机的长周期平稳运行，汽轮机的允许受力限制非常严格。通常受力限制-般由制造厂提出或参照美 国电气制造商协会标准 NEMASM23。在配管设计中如果管道的约束点及约束形式设计不合理，就会造成汽轮机的转动轴不对中，转子与定子之间的间隙改变，引起机器磨损和振动，进而影响设备的正常运行，甚至毁坏设备 J，因此必须对与汽轮机相接的管道进行强度和安全性评价，主要进行管道应力分析、变形分析、管口受力校核。通过安全性评价可以保证汽轮机受力满足限制要求、装置安全运行及减少工程投资 。

目前，国内大部分工程公司均采用 CAESARII软件进行管道应力分析 4.5 J。CAESARI软件是由美国 COADE公司研发的压力管道应力分析国际权威的专业软件，它既可以进行动力分析，也可进行静力分析，同时还可以进行压缩机、汽轮机、加热炉、空冷器和泵等特殊设备和机械的管口受力校核 6 J。CAESARII具有输人数据简单，图形生成和计算结果直接明了的特点，使用方便快捷。

本文使用 CAESARI软件对某合成氨项 目，从界区到凝汽式汽轮机进 口的过热中压蒸汽管道进行应力分析。

1 CAESARI软件的应用实例分析1.1 管道的主要参数管道介质为过热中压蒸汽，管道材料为15CrMo，腐蚀 裕量 1.5mm，管 径为 qb168mm ×11.Omm，管道 的操 作温度 450C，操作压 力4.5MPa(A)，设计温度480C，设计压力 5.1MPa(A)，保温层密度200kg/m。，保温层厚度 120mm，与管道连接的汽轮机蒸汽进口的初始位移见表 l。

表 1 汽轮机蒸汽进口初始位移 (mm)1.2 CAESAR lI软件应力计算根据以上条件及管道轴测图，在 CAESARII软件中建立三维模型，见图1。

图 1 管道三维模型支吊架设计时，在装置内外分界点处 (节点90)设置固定支架，避免装置内外管道的应力互相影响〖虑压缩厂房内管架的生根位置，分别在节点 150和470处设置支架来支撑管道的重量。

- 般来说，高温管道上调节阀组的两个支架中应有-个是固定支架，另-个是滑动支架。但为了增大管道的柔性、避免开阀时管道振动幅度过大，本项目在蒸汽管道阀组两侧 (节点230和390处)分别设置两个导向支架。

汽轮机的受力要求非常严格，其管道的支架设置宜在管道与机器固定点处坐标轴的交点位置李文辉：助理工程师。2010年毕业于太原理工大学化学化工学院化学工艺专业。主要从事配管和管道应力分析。联系电话：(0931)2662129.E-mail：wenhuili2010###163.tom。

CHEM ICAL ENGINEER G DESIGN附近设置限位支架，见图2。

)( x方向限ft支架方向限化支架图2 汽轮机管道的支架位置从而使机器管口的热膨胀与管道的热膨胀基本相当，减小管道对机器管口的作用力，因为节点 470处已设置支架，所以在节点 500、560处仅设置轴向限位架，在节点530处设置轴向限位支架≮点 610与650之间的垂直管道较长，垂直位移较大，由于受压缩机大板预留孑L大小的限制，不能通过改变管道走向来增加其柔性 ，所以在节点590处采用弹簧支架，使支架在承受-定载荷的情况下又能允许管系有-定的垂直位移 。然后进行程序运算，计算结果表明该管道的-次应力、二次应力均符合标准规范的要求。设备管VI及支吊架的受力见表 2。

表2 设备管口及支架受力情况1.3 管系分析与调整从表2可知，各节点的受力均在合理范围内。

相对其他节点来看，节点470和530处 Y向受力较大，这是采用 刚性支架的缘故。汽轮机进汽 口(节点 650)的 Y向受力和 x方向力矩相对较大。

因制造厂未提出汽轮机的允许受力限制，所以采用 NEMA SM23标准来校核汽轮机的管El受力情况。分析结果见图3、图4。

K l0 K00e ：0 p nts Rcsu ta Va /All owabI cs( N 5 N.m. I lb. ＆ f L lb.) (ENGLISI)K T FT 6 50 FX 97 8 3F M < 500- f d1： E3 3FZ- 5-2 3F - M 8 64!： E370 1 4 32500- fusedl ]0051X 2O6 4- 112 9 t of ALLOW 292.14MZ 5 5a 3Y 0 5 B × 468 · . ·图3 汽轮机管口受力校核情况分析结果界面由图3可知，汽轮机进汽口受力未通过校核，作用于汽轮机进汽口Y向的力和z向的力矩较大。

由图4可知，汽轮机整体受力也未通过校核，合力Diameter Due ：o Equiralen Nozzie Areas. DC 6 00 (in.1NOzzle Loads 5 s at s Ailowabies 。 A .I 0w S：atu s( N s N ) (2b ＆ ft- b1sFX q.7 4 31 50 DC ： 300 1 4 3 6 5 FAT . 3S 。Y 3706 8 3 3 12 5 DC 750 l- 1.09 I tSZ 305 69 iO0 DC 600 11 . 3FCIRSLT) z 41 8 4 941SEX -15 33 -：130 25 DC 1300 7 5. 3 6SMY - -l2 5 4 -92 5 125 DC - 750 12 3 34 ·FAI 2DSMZ 53 30 3 931 1 7 5 DC 7 50 52.1 2 FA 。

MC(RSI.T1 5686 41 932FC C ： 607 5 250 DC - l500 40 4. 97 F： DOrera1 1 Satus A .ED图4 汽轮机整体受力校核情况分析结果界面在 x和Y向的力较大，在 Y向和z向的力矩较大。

图3和图4的共同点都是汽轮机在 Y向的受力较大。由图 1可看出，虽然在 590处设置了弹簧支架，但610与650间的垂直管道较长，热胀推力较大，节点 530处设置的刚性支架阻碍其膨胀，所以管道作用于汽轮机进汽口的Y向力较大，因此要设法减小其 Y向的受力～节点 530处的固定支架改为弹簧支架，人工将 590处弹簧载荷设为2500N (见图5)，然后再进行程序运算。调整后汽轮机进口的受力情况见表3，用NEMA SM23标李文辉等 汽轮机蒸汽管道的应力分析与设计 2l准校核的结果见图6和图7。

图5 调整后的管道三维模型将表3中所列数值与表2中相比，调整后汽轮机进口Y方向的推力降低了4500N，Z方向的推力降低了1800N，X方向的力矩降低了5000N·m，Y方向的力矩降低了700N·m，Z方向的力矩降低了1800N·m。由图6和图 7可知，调整后汽轮机进汽口受力和整体受力校核都已通过♂果表明：汽轮机人口附近的几组支吊架采用弹簧支吊架，可以减小因垂直管道的热膨胀引起的管口热态作用力，人为地调节其载荷，对改善局部受力状态有好处。在汽轮机人 口附近设置-个 u型弯，u型弯的每条边上都设置限位架，有利于减小汽轮机管口的受力，使其整体受力容易通过校核。

表 3 调整后的设备管口受力图6 调整后汽轮机进汽口受力校核情况结果界面Noz 1e Node Compononts j t洲 t V；u /A "-owable5 N ＆ N. . ) ( ib ft，ib. ENGLISH JINL T 650 FX- -1 03 3F M ( 500 D( d)Fy -1 71z -86 3 M 1 4 8日Fr 1 477 F ， 332500 Dfused ) 300OMX： -250MY -3 8 3 of ALLOW. 4 9.60M7； -48 5Mr- 667 M 4 92图 7 调整后汽轮机整体受力校核情况结果界面2 结语转动机械人口管道的柔性设计是非常重要的，对装置的安全运行和经济投资都至关重要。通过改变管道走向、选用补偿器、适当增加支 吊点和改变支吊架形式等方法来增大整个管系的柔性，可使各支吊点的受力分布均衡，最大限度地减小作用于设备管口上的推力和力矩。在条件允许的情况下，应考虑采用改变管道走 向 (设置 L形、u形或n形弯等)和选用弹簧支吊架的方法来增加管道柔性的同时也要避免过分追求管道柔性而造成管系的失稳以及管道阻力的增大。因此，在应力计算和分析过程中，要多调整多优化，在确保设备安全运行的基础上，也要保证管道的抗振能力和管道投资的经济合理性。