大通徑空冷排汽管道整體應力分析探討

姚雅秋

（西北電力設計院有限公司，西安 710075）

0 引言

隨著我國電力工業的飛速發展，電廠用水困難問題日益突出。同時，我國對環保的要求日趨嚴格，在這種情況下，優化火電結構，發展坑口大機組電站，以達到高效、潔凈、節水發電勢在必行。我國北方地區煤炭資源豐富，但水資源缺乏，采用常規循環冷卻水系統的電廠用水量巨大（其中循環冷卻水用量約占全廠用水量的50%～80%），使其發展受到了嚴重制約。而直接空氣冷卻機組可以大大節約用水量，且電廠選址不受水源制約，適宜在缺水地區推廣[1]。直接空冷系統是將汽輪機的乏汽引入粗大的真空排汽管道，送到室外的空冷凝汽器內，軸流冷卻風機使空氣流過散熱器外表面，將乏汽在散熱器內冷卻成水。所以真空排汽管道的作用是將做過功的乏汽從汽輪機排入空冷凝汽器內，管徑達6 m的管道熱脹冷縮產生的推力對汽輪機和空冷凝汽器的安全運行具有極大影響[2]。此前國內從未設計過如此大通徑的真空管道，這也是國產化的技術難題。

本文針對這一技術難題，應用管道應力計算程序完成了排汽管道的外部受力和汽輪機空冷換熱器推力計算及真空推力、摩擦力、風荷載、地震荷載等組合計算，以保證排汽管道在各個工況下安全運行。

1 計算模型的建立

依托某600 MW電廠工程（如圖1）應用CAESAR II程序對大通徑空冷排汽管道進行整體應力分析探討，完成以下整體應力分析要求，以便通過調整得到滿足應力分析要求的排汽管線：1）確定支吊架的形式，計算支架處的載荷；2）計算彈簧載荷，選擇彈簧型號；3）給出除三通、大小頭變徑段、支撐點之外的一次應力和二次應力；4）計算設備接管處的載荷；5）地震、風載等多工況分析；6）整體振動分析和動應力校核（固有頻率、諧振等）；7）將所有的管道建成一個模型進行分析。

圖1 某600 MW電廠工程管線圖

眾所周知，CAESAR II軟件是根據有限元的方法，將管系化為各個梁單元進行求解，所以管道建模時對大通徑鋼管的建模和一般的管道建模沒有區別[3]，而排汽管道建模的難點則落在了波紋管補償器、支吊架約束模型建立及各種工況的設立上。

1.1 波紋管補償器的建模

真空排汽管道將做過功的乏汽從汽輪機排入空冷凝汽器內，管道在有限的空間且要盡量減少管道壓損，無法實現真空排汽管道系統自然補償由溫度等引起的熱脹冷縮，所以需要使用波紋管補償器來補償管系[4]；同時真空排汽管道具有直徑大、負壓和溫度較高的特點，非常適合使用波紋管補償器來降低系統的應力和載荷。因此在大通徑空冷排汽管道上一般都設有各種類型的波紋管補償器，以滿足排汽管道接口推力及應力的要求。

如圖1所示，排汽裝置底部固定，上部通過膨脹節與汽輪機低壓缸排汽口相連，對于排汽管道來說，排汽裝置與排汽管道接口可視為固定點，接口處的附加位移參與管道整體應力計算。在排汽裝置和排汽管道立管之間的水平管道上設有一只曲管壓力平衡型補償器，用來吸收水平管道軸向位移及排汽裝置和管道之間的不均勻沉降。由于垂直管道底部設有剛性支架，因此垂直管道將向上膨脹，為此在垂直管道上設有2只萬向角型補償器，在垂直管道上部與空冷器分配管相接的水平管道上設有1只角向型補償器，這3只補償器與管道上的彈性支撐組合起來，以吸收上部管道的位移和空冷器接口處的不均勻沉降。由于排汽管道上半部分剛度設計得比較柔，與空冷器蒸汽分配管、散熱管及散熱片組成的實體相比，空冷器接口可視為固定點，接口處的附加位移參與管道靜力計算。對雙排汽機組，1臺機組的2個排汽管道之間有1個為平衡壓力的連通管，為了吸收熱位移和平衡壓力，在連通管上設有1個通用型補償器，并用拉桿進行約束。

因此根據某600 MW工程電廠空冷排汽管道布置特點及其熱脹的方向特點，設立的波紋管補償器有如下類型：曲管壓力平衡型、萬向型、角向型和通用型補償器。

曲管壓力平衡型膨脹節主要用于吸收方向發生變化的軸向和側向位移，并不會使系統支座和設備承受內壓推力的作用[3]。本工程用的曲管壓力平衡型膨脹節是由3個通用型的補償器通過封頭和拉桿的作用組合而成。曲管壓力平衡型補償器按照復雜模型進行建立，即將通用型的補償器模擬成有限長的膨脹節，用膨脹節的軸向剛度、橫向剛度、彎曲剛度、扭轉剛度及有效內徑來定義（由于有限長的膨脹節，橫向剛度和彎曲剛度有直接關系[5]，這里只需要填入其中之一）。并把拉桿也用桿單元進行模擬，如圖2中所示，節點5000～5030、6000～6030、7000～7030和8000～8030為4根拉桿，且均為帶約束的拉桿，使主排汽管道上的3個通用型膨脹節通過伸展和壓縮變形來吸收排汽管道水平軸向位移并平衡內壓推力，拉桿上RX自由使通用型膨脹節RX角向可補償排汽裝置和管道之間的不均勻沉降，RZ有間隙約束可補償排汽裝置接口熱位移，從而達到此處選用曲管壓力平衡型膨脹節的目的。

圖2 膨脹節拉桿布置圖

萬向型補償器可在任意平面內作角偏轉，而角向型補償器只能作單平面內的角偏轉，利用2個萬向型和1個角向型補償器可以吸收空間管段的位移[6]。這兩種補償器均模擬成零長度的膨脹節，用膨脹節的軸向剛度、橫向剛度、彎曲剛度、扭轉剛度來定義。其中因為角向型補償器只能做單平面內的偏轉，所以受一個方向上的轉動約束，以圖1為例，則在垂直方向上受到轉動約束限制。

通用型補償器模擬成有限長的膨脹節，用膨脹節的軸向剛度、彎曲剛度、扭轉剛度及有效內徑來定義。由于通用型補償器能同時吸收軸向和角向位移，為了防止此處的膨脹節在任意平面內作偏轉造成排汽管道的破壞，同時達到平衡兩個排汽管道的壓力，在連通管兩側加上拉桿進行約束。在建模過程中，同樣要把拉桿也用受約束的桿單元進行模擬。

1.2 支吊架約束的建模

排汽裝置一出口的排汽管道上使用膨脹節后，管道就被膨脹節分成了3段獨立膨脹的管段，在各管段上應加上支架，防止膨脹節受管段的重力破壞，同時為了吸收垂直方向的熱脹力及不均勻沉降，在接口后的前兩段管段上采用彈簧支架，而第三段則采用剛性支架，使管道將向上膨脹，由上部的2只萬向角型補償器和1只角向型補償器共同作用來吸收。在空冷排汽管道上部水平管道上設立3個彈簧吊架來支撐管道。

由于排汽管道是大通徑管道，相應的支架和吊架的管部也較大，這時管部的質量就不能忽略了，在建模時應將管部作為帶質量的剛性件來進行模擬。

如果只是提供土建結構專業支吊架基礎荷載資料，對支吊架的模擬可以用一點接觸來模擬。如果把整體應力計算出來的支吊架受力作為排汽管道有限元分析的已知外力，則可以把支吊架模擬成多點接觸，如圖3所示。通過這兩種模擬方法的計算結果可以看出，第二種模擬方法的結果的合力及力矩與第一種方法所得結果是一致的。

圖3 支吊架模擬方案

由于空冷排汽管道D/t>100，屬于大口徑薄壁管，在剛性支座處均設有防止扭轉的螺栓，簡單模擬為方向約束與約束本身不一致，應在模擬約束時把扭轉約束也同時加以模擬[7]，如圖4所示。

圖4 螺栓旋轉約束設置

解決了上述兩個建模的難點，針對某電廠600 MW機組工程的空冷排汽管道，可以建立整體應力分析的模型如圖5所示（本模型的支吊架用第一種方法模擬）。這一模型可以用于各工況下進行整體應力分析。

圖5 空冷排汽整體應力分析模型圖

2 計算工況的確定與設立

大通徑排汽管道整體應力分析要對排汽管道的溫度、壓力、沉降、接口位移、摩擦力、風荷載、地震荷載等組合工況進行計算，對這些工況進行其因果關系分析，對于CAECARII軟件設立工況組合。設計工況組合時按照下面幾條原則。

我們需要讓程序來選擇彈簧支吊架，而確定彈簧支吊架尺寸的兩個基本要求：即支架所承受的自重與允許的重直位移范圍。為了得到選擇彈簧支吊架所需要的數據，要進行兩個載荷工況的分析。第一種載荷工況（傳統上稱為約束質量）僅包含自重和外力（W+F1）；對于第二種載荷工況，包含自重、溫度、第一組壓力（若已定義）、位移和力（W+D1+T1+Pl+Fl）。因為有多個沉降工況和溫度工況，所以采用多工況選擇彈簧。本次整體應力分析中外力為0，即F1＝0。

工況組合時假設風荷載和地震荷載不同時發生，不進行疊加。管系存在非線性約束，使用兩個其它載荷工況之間的差值來建立膨脹（EXP）和偶然（OCC）載荷工況來說明非線性約束。工況組合如下。

1）彈簧選擇工況。a.自重工況，僅考慮自重，不考慮熱膨脹；b.自重工況+位移工況（熱態端點無沉降）＋溫度工況（冬季）＋壓力工況（冬季）；c.自重工況+位移工況（熱態端點無沉降）＋溫度工況（夏季）＋壓力工況（夏季）；d.自重工況+位移工況（熱態空冷器沉降）＋溫度工況（設計）＋壓力工況（設計）；e.自重工況+位移工況（熱態機座沉降）＋溫度工況（設計）＋壓力工況（設計）。

2）運行工況。a.自重工況+位移工況（熱態端點無沉降）＋溫度工況（各種熱態）＋壓力工況（各種熱態溫度對應的壓力）＋彈簧附加力；b.自重工況+位移工況（冷態端點無沉降）＋溫度工況（極低溫）＋壓力工況（設計真空）＋彈簧附加力；c.自重工況+位移工況（熱態空冷器沉降）＋溫度工況（各種熱態）＋壓力工況（各種熱態溫度對應的壓力）＋彈簧附加力；d.自重工況+位移工況（冷態空冷器沉降）＋溫度工況（極低溫）＋壓力工況（設計真空）＋彈簧附加力；e.自重工況+位移工況（熱態機座沉降）＋溫度工況（各種熱態）＋壓力工況（各種熱態溫度對應的壓力）＋彈簧附加力；f.自重工況+位移工況（冷態機座沉降）＋溫度工況（極低溫）＋壓力工況（設計真空）＋彈簧附加力；g.自重工況＋壓力工況（包括冬季、夏季、設計）＋彈簧附加力。

3）膨脹和偶然工況。a.運行工況中a～f各種工況－g工況相對應的差值為膨脹工況；b.±X方向風荷載工況與運行工況中a、c、e工況的組合；c.±Y方向風荷載工況與運行工況中a、c、e工況的組合；d.±X方向地震荷載工況與運行工況中a、c、e工況的組合；e.±Y方向地震荷載工況與運行工況中a、c、e工況的組合；f.±Z方向地震荷載工況與運行工況中a、c、e工況的組合。

3 結論

1）根據分析設置波紋管補償器的類型，將曲管壓力平衡型補償器采用復雜模型，萬向型、角向型補償器采用簡單模型建模后，對排汽管道整體應力分析滿足工程設計要求。應力分析結果在各工況下排汽管道安全、應力水平好、接口推力及力矩滿足設備要求的情況下，可以提供各膨脹節的技術參數用于膨脹節的選型。

2）支吊架約束的建模時用一點接觸來模擬，可以確定支吊架的荷重，滿足土建結構專業支吊架基礎荷載的提資要求。

3）支吊架約束的建模時用多點接觸來模擬，計算出支吊架受力，可以作為排汽管道有限元分析的已知外力。

4）支吊架約束的建模時通過一點接觸和多點接觸兩種模擬方法得出的合力及力矩與一點接觸方法得的結果是一致的。

5）分析工況的建立需要對排汽管道的溫度、壓力、沉降、接口位移、摩擦力、風荷載、地震荷載等載荷分量進行組合。

6）由于排汽管道D/t>100，屬于大口徑薄壁管，其三通、折轉、變徑和支吊架管部等結構不連續產生應力集中的地方，必須應用有限元程序進行詳細的應力分析。