應用ANSYS計算汽輪機主蒸汽管道應力

丁賢虎 陳定千 何 寧

（中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，江蘇 無錫 214151）

1 前言

汽輪機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：管內介質產生的壓力，管子重量（包括閥門、三通、法蘭和保溫材料等）產生的均布載荷，管道支吊架產生的反力；此外，還有管道溫度變化熱脹冷縮約束產生的熱載荷，管道安裝施工時各部分尺寸誤差產生的安裝殘余應力等等。

對新建設的汽輪機臺位的主蒸汽管道進行管道應力計算，并按照相關標準校核管道應力有著重要的意義。本文用ANSYS PIPING MODELS 對南京汽輪電機有限責任公司某工業汽輪機空載試驗主蒸汽管道進行建模和應力計算。

2 機組參數及材料計算參數

圖1 主蒸汽管道簡圖

表1 非彈簧支吊架應力計算結果

表2 彈簧支吊架應力計算結果

表3 管道對汽輪機進口的推力

圖2 管道一次應力圖

圖3 管道二次應力圖

表4 管道最大MISES應力（MPa）

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

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

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

3 管道應力分析的評定準則

3.1 管口推力的判定

定義汽輪機機軸方向為X方向，鉛垂向上方向為+Y，則根據NEMA SM23對汽輪機管口受力的要求，作用于汽輪機進口的合力和合力矩應滿足：

其中，Fr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為當量直徑，mm；當管口公稱直徑不大于200時，De=管口公稱直徑；當管口公稱直徑大于200時，De=（管口公稱直徑+400）/3。

3.2 管道應力的判定

在管道應力校核中，根據產生應力的載荷不同，管道應力分為一次應力和二次應力。管道應力合格的判定標準是：一次應力和二次應力必須合格。管道的一次和二次應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力，MPa ；[σ]20， [σ]t—管材在20℃及設計溫度下的許用應力，MPa；f—應力范圍減小系數，它與管道全溫度周期性交變次數N有關，當N≤2500時，可取f=1。

4 管道的應力計算與分析

4.1 管道計算模型

管道的應力計算采用ANSYS PIPING MODELS，根據試驗現場的條件，管道計算模型從蒸汽管道母管的兩個固定點開始，到汽輪機主蒸汽進汽口結束，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、導向支架、固定支架和滑動支架。

4.2 管道應力分析

根據計算參數對管道在熱態和冷態狀況下進行應力計算。得到如下結論：

4.2.1 管道非彈簧支吊架應力計算值見表1。

4.2.2 管道彈簧支吊架應力計算值見表2。

4.2.3 管道對汽輪機進口的推力見表3。

根據表3的結果，可以計算出，在熱態下0.9144Fr+Mr=1078N·m；在冷態下0.9144Fr+Mr=251N·m。汽輪機進口公稱直徑為300mm，可知26.689De=6227N·m。所以汽輪機在熱態和冷態下，都是滿足管口推力的判定準則的。

4.2.4 管道的一次應力和二次應力計算結果如圖2和圖3所示。

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

從表4可以看出，設計的汽輪機管道滿足管道應力的判定準則。

結語

本文用ANSYS PIPING MODELS對南京汽輪電機有限責任公司某工業汽輪機空載試驗主蒸汽管道進行建模和應力計算，計算結果表明整個主蒸汽管道的一次應力和二次應力均低于許用值。而且，汽輪機管口推力也滿足要求。因此此主蒸汽管道設計較合理，能滿足機組的安全運行。

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