黎汝堅 王玉強 魏東升 王旭東
【摘 要】以某工程的燃氣輪機冷卻空氣管道為例,使用Autopipe應力分析軟件對管道靜態荷載及地震荷載進行計算。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力集中點的影響。通過選用阻尼器,最大限度的降低地震工況對管道的破壞,根據分析結論選擇合理的阻尼器,進一步優化管道設計。
【關鍵詞】地震載荷 應力分析 阻尼器 Autopipe
燃氣輪機冷卻空氣取自于壓氣機末級排氣,該部分空氣經過外部冷卻后,返回燃氣輪機本體,對高溫部件進行冷卻。冷卻空氣參數較高,管道設計壓力達到2.2MPaG,冷卻器前管道設計溫度達到505℃,冷卻器后的管道設計溫度達到350℃。而且冷卻空氣管道布置空間很受限制,運行中管道易受到集中應力的作用發生失效。
1 管道載荷的主要類型
根據荷載作用的性質,可以分為靜力荷載和動力荷載。靜力荷載是緩慢的、毫無振動的加載管道上的荷載,它的大小和位置與時間無關,或者是極為緩慢的變化,而可略去慣性力的影響,不使管道產生顯著運動。動力荷載是指隨時間有迅速變化的荷載,使管道產生顯著的運動,而且必須考慮慣性力的影響,例如管道的振動,管內水沖擊,閥門突然關閉時的壓力沖擊,安全閥排汽時的沖擊以及地震等[1]。
2 管道校核標準
在 Bentley AutoPIPE 軟件中,電廠管道選擇的應力校核標準為美國ASME B31.1 動力管道標準。根據標準要求,剪切許用應力值不應大于規則所確定的應力值的80%。擠壓許用應力值不應大于此應力值的160%[2]。校核分為一次、二次及峰值應力校核。
管道一次應力由內壓、自重引起,要求不得超過設計溫度下管材的許用應力,即S L ≤ Sh(其中,Sh為管材的許用應力,N/mm^2 ;SL 為由壓力引起的縱向應力與重力、風荷載等外載在管道中產生的縱向彎曲應力之和,N/mm^2)。
管道二次應力由純熱態應力引起,要求不得超過許用應力范圍,即SE ≤ SA=f *(1.25Sc+0.25Sh)(其中,SE 為許用應力范圍,N/mm^2 ;SA 為管材在20℃時的許用應力,N/mm^2,Sc為管材在冷態工況下的許用應力,N/mm^2;Sh為管材在熱態工況下的許用應力,N/mm^2; f為預期壽命內,考慮循環總次數影響的許用應力范圍減少系數)。
在運行期間,由內壓、活荷載和固定荷載以及偶然荷載,例如臨時支承件的額外重量,產生的縱向應力的總和可以超過許用應力表給定的許用應力值[2]。應滿足SL+SB ≤ kSh(其中,SB為偶然荷載的總和;N/mm^2,對于在任一時期內作用時間不大于1h和每年不大于80h的臨時荷載,K=1.2)。
3 實例分析
3.1 靜力分析
已知管道設計壓力2.2MPaG,冷卻器前管道設計溫度505℃,冷卻器后管道設計溫度350℃,輸入各管段保溫厚度、材質以及端點初始位移,建立的管道模型見圖1。經靜力分析,管道各節點的一次應力、二次應力均滿足要求,數據如下(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,經受力分析,管道各節點的一次應力、二次應力、峰值應力均滿足要求,數據如下(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,經受力分析,管道各節點的一次應力、二次應力均滿足要求。但由地震荷載而產生的峰值應力超出允許值1.34倍,應力分析結果不合格,數據如下(表3)。
3.4 修改管道模型
對管道系統加載0.2g地震荷載后,管道峰值應力超出允許范圍,應力分析結果不合格。經分析,導致這種情況的主要原因是冷段管道上設置了1套重達5000kg的冷卻空氣過濾器,該設備設置了非固定式結構支撐,在地震荷載的作用下,Z方向產生較大的瞬態荷載。
為降低地震荷載對管路系統的影響,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靈敏的振動控制裝置,主要適用于核電廠、火電廠等的管道及設備的抗振動,常用于控制沖擊性的流體振動和地震激擾的管路振動。
修改后的管道模型見圖2. 經受力分析,管道各節點的一次應力、二次應力、峰值應力均滿足要求。在0.2g地震荷載下,阻尼器的對冷卻空氣過濾器產生Z方向約21KN的反力。數據如下(表4)。
4 結語
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力集中點的影響。隨著地震荷載的增大,與非固定式設備相連的管道由于慣性力的影響,易出現峰值應力不合格的情況。根據Autopipe軟件分析結果,在設備處加設合理的阻尼器,能有效減小管道系統的峰值應力,降低地震荷載對管道的破壞。
參考文獻:
[1] 王致祥,梁志釗,孫國模,文啟鼎.管道應力分析與計算.北京:水利電力出版社,1983.
[2] 美國家標準學會.ASME B31.3-2007 POWER PIPING.
[3] 許強,黃坤,盧泓方 等 AutoPIPE 在天然氣增壓站中的應用.中國國際管道會議,2013.