CaesarⅡ与Glif对高温高压管道静力分析的比较

王 静，徐 蕾

(江苏省电力设计院，江苏南京211102)

国内火电设计中普遍使用的管道应力分析软件是东北院开发的Glif软件，随着火电机组参数和容量的不断提高，越来越多的设计院引进了国际上较为流行的CaesarⅡ软件进行静力和动力分析。江苏华电句容2×1000 MW工程主蒸汽管道和高压旁路阀门前管道的设计温度为610℃，设计压力为29.67 MPa，工作温度为605℃，工作压力为28.245 MPa，管道材料为A335P92。低温再热蒸汽管道和高压旁路阀门后管道的设计温度为390.8℃，设计压力为29.67 MPa，工作温度为370℃，工作压力为6.303 MPa，管道材料为A6911-1/4CrCL22。为了更好了解CaesarⅡ与Glif静力计算结果的差异，以江苏华电句容发电有限公司一期（2×1000 MW）工程的主蒸汽管道为实例，对主蒸汽管道应力计算结果进行了分析比较。

1 建模

分别使用Glif与CaesarⅡ软件对管系进行建模。因Glif软件的应用较为广泛，这里不再赘述。CaesarⅡ软件的建模主要依据 《CaesarⅡUser's Guide》、 《CaesarⅡ Application Guide》、 《CaesarⅡTechnical Reference》。CaesarⅡ内含的数据库[1]比较丰富，在建模过程中要注意初始条件的设置：如选择正确的应力验算规程、选用或编制合适的单位表、设置通用的坐标轴系等。

使用CaesarⅡ软件所建主蒸汽、高压旁路和低温再热蒸汽管道的模型如图1所示，主蒸汽管道各支吊点布置如图2所示。CaesarⅡ软件较Glif软件有更直观的输入界面，并能实时三维显示，一定程度上避免了输入错误，而且管道属性可以继承，建模快捷。

2 计算结果分析比较

2.1 冷热位移比较

图1 主蒸汽、高压旁路和低温再热蒸汽管道模型

图2 主蒸汽管道各支吊点布置

管道冷位移是管道安装完成后相对于设计线产生的位移，主要由管道自重及外力的共同作用产生，受管道刚度及弹簧刚度的影响。管道热位移是在冷态的基础上考虑了温度及端口热位移的影响所产生的位移。左侧主蒸汽管道上的支吊点的冷热位移如表1所示，右侧管道情况基本相似。可以看出，Glif软件得出的冷、热位移与CaesarⅡ软件得出的冷、热位移值大小基本吻合。

需注意的是Glif中给出的热位移是从冷态到热态的相对位移，对应CaesarⅡ中的结果应该是膨胀荷载工况（EXP，考虑温度和附加位移）下的位移，这里很容易把CaesarⅡ中运行热态工况（OPE，考虑自重、温度、附加位移、压力和集中力）下的位移与Glif中的热位移等同起来，OPE工况下的热位移是从设计态到热态的绝对热位移。

表1 左侧支管冷热态位移

2.2 端口推力比较

Glif在计算初热端口推力时采用热态弹性模量。而CaesarⅡ默认的热态OPE工况采用的是冷态弹性模量，这与实际情况不符，计算的结果相对保守，在小机组和小管道上采用会更偏安全；但对于1000 MW的四大管道来说，采用冷态弹性模量计算势必要增加管道的柔性才能保证接口推力在允许的范围内，导致了建设成本的增加，是不经济的[2]。针对这种情况，江苏院孙国模高工提出了修改建议[3]，COADE公司在CaesarⅡ5.0以上的版本都提供了用户选用热态弹性模量进行计算的方法。在该次计算中，添加了一个采用热态弹性模量的OPE热态工况，用于热态端口推力的计算。冷热态接口推力计算结果如表2、表3所示。

从表2可以看出，除了冷态时过热器出口（10010点）的计算结果力矩差异明显，其他接口的计算结果都基本接近。经过比较分析可以发现10010接口附近的40号支吊点，Glif与CaesarⅡ选出的弹簧型号不一致，Glif为118而CaesarⅡ为218，118的弹簧刚度为1 541.5 N/mm,218的弹簧刚度为770.8 N/mm，不同的弹簧刚度使该吊点在冷态时的分配荷重不同，从而影响了该接口的冷态端口推力。

表2 冷态接口推力和力矩

从表3可以看出，初热工况下，当CaesarⅡ采用冷态弹性模量计算时，过热器出口及主汽门进口处的接口推力明显大于GLIF的计算结果。当CaesarⅡ采用热态弹性模量计算时，过热器出口及主汽门进口处的端口推力Glif与CaesarⅡ的数据吻合得比较好。

2.3 弹簧型式比较

弹簧的选择、安装有热态吊零和冷态吊零2种方式。所谓吊零，就是管道吊点在对应的热态或冷态时由于管道自身重力荷载而产生的垂直位移为零。热态吊零时，弹簧工作荷载等于分配荷载，管道处于冷态时，弹簧荷载即安装荷载等于分配重力荷载和弹簧附加力的矢量和。由于热态吊零时管系中支吊架承受的自重力比较均匀，所以电厂管道的弹簧选型常常基于热态吊零原则[4]。

表3 热态接口推力和力矩

Glif的选弹方式是热态吊零。而CaesarⅡ中弹簧的吊零方式可以通过更改弹簧库的方法进行选择，这里采用热态吊零的方式进行设置。

CaesarⅡ软件推荐的选弹方式不包含弹簧刚度进行选弹设计。 2001年，江苏省电力设计院就CaesarⅡ软件忽略弹簧刚度的选弹方式提出了质疑，随后COADE公司对软件进行了修改，在CaesarⅡ4.2以上的版本中添加了考虑弹簧刚度的选项。考虑弹簧刚度时，弹簧冷荷载会推动管道，但该刚度会限制管道的热胀变形，所以计算出的弹簧位移相对小一些，弹簧的选弹热位移与EXP工况位移一致；不考虑弹簧刚度时，弹簧的选弹热位移与OPE工况位移一致。文中设置成考虑弹簧刚度的影响。

2款软件计算所得的弹簧型号见表4。可以看出，选出的弹簧基本一致，支吊点40和440的弹簧有出入是位移及荷载处于选弹临界点所致。在CaesarⅡ所出的弹簧表中，可以清晰地看出选弹位移为冷态到热态的相对位移 （EXP工况位移），即弹簧的实际运行位移。在管道相对柔性的情况下，CaesarⅡ推荐方式选出的弹簧会明显大于Glif选出的弹簧，即弹簧刚度的影响较大。而管道刚度比较大的情况下，这种影响就不明显。COADE公司认为在不考虑弹簧刚度的情况下，得到弹簧的理论安装荷载，也就是弹簧出厂的预压荷载，在安装过程中不需要调整弹簧，比较方便。而考虑弹簧刚度的方法得到的是弹簧的实际安装荷载，需要在安装过程中调整弹簧到该荷载下，相对比较繁复。

表4 弹簧选型表

3 结束语

通过对CaesarⅡ软件进行计算条件设置后，Glif与CaesarⅡ软件在高温高压管道静力分析上结果基本接近。相比Glif只能用于静力分析，CaesarⅡ还能用于管道动力计算，与汽锤力分析软件Pipenet设有数据接口，能满足对四大管道须进行动力计算要求。CaesarⅡ软件是一款界面直观、功能强大的应力分析软件，在以后的火电设计中必定会越来越多的显示其优越性。

[1]陈 乐.应力分析软件CAESARⅡ功能及应用[J].钢铁技术，2004(1)：31-32.

[2]王致祥，梁志钊，孙国模，等.管道应力分析与计算[M].北京：水利电力出版社，1983：45.

[3]孙国模，王少宁.CAESARⅡ(4.2版)软件的使用研究报告（静力分析计算部分）[R].南京：江苏省电力设计院，2001.

[4]郑 钢.电厂管道的弹簧支吊架选型[J].热力发电，2010，39(7)：95-97.