应用ANSYS计算汽轮机主蒸汽管道应力

丁贤虎 陈定千 何 宁

（中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，江苏 无锡 214151）

1 前言

汽轮机主蒸汽管道在一定的压力和温度条件下工作。作用于主蒸汽管道的载荷有：管内介质产生的压力，管子重量（包括阀门、三通、法兰和保温材料等）产生的均布载荷，管道支吊架产生的反力；此外，还有管道温度变化热胀冷缩约束产生的热载荷，管道安装施工时各部分尺寸误差产生的安装残余应力等等。

对新建设的汽轮机台位的主蒸汽管道进行管道应力计算，并按照相关标准校核管道应力有着重要的意义。本文用ANSYS PIPING MODELS 对南京汽轮电机有限责任公司某工业汽轮机空载试验主蒸汽管道进行建模和应力计算。

2 机组参数及材料计算参数

图1 主蒸汽管道简图

表1 非弹簧支吊架应力计算结果

表2 弹簧支吊架应力计算结果

表3 管道对汽轮机进口的推力

图2 管道一次应力图

图3 管道二次应力图

表4 管道最大MISES应力（MPa）

该汽轮机为350MW汽轮发电机组锅炉给水泵驱动用单缸、单轴、冲动、凝汽式汽轮机，额定功率为4.2MW。供汽压力为2.0MPa，供汽温度为220℃。汽轮机主蒸汽管道形式如图1所示。

汽轮机空载试验主蒸汽管道母管材料为12Cr1MoV，规格为Φ159mm×8mm。20℃时，弹性模量为2.08×105MPa，许用应力为157MPa。220℃时，弹性模量为1.99×105MPa，许用应力为149MPa。20℃～220℃的线膨胀系数为13.76×10-6/℃。

汽轮机空载试验主蒸汽管道支管管材为20号钢，规格为Φ108mm×4.5mm。20℃时，弹性模量为1.98×105MPa，许用应力为131MPa。220℃时，弹性模量为1.734×105MPa，许用应力为126 MPa。20℃～220℃的线膨胀系数为12.252×10-6/℃。

3 管道应力分析的评定准则

3.1 管口推力的判定

定义汽轮机机轴方向为X方向，铅垂向上方向为+Y，则根据NEMA SM23对汽轮机管口受力的要求，作用于汽轮机进口的合力和合力矩应满足：

其中，Fr为接口处三向推力的合成力，N；Mr为三向推力矩的合成力矩，N·m；De为当量直径，mm；当管口公称直径不大于200时，De=管口公称直径；当管口公称直径大于200时，De=（管口公称直径+400）/3。

3.2 管道应力的判定

在管道应力校核中，根据产生应力的载荷不同，管道应力分为一次应力和二次应力。管道应力合格的判定标准是：一次应力和二次应力必须合格。管道的一次和二次应力分别用以下两个不等式来判别。

式中，σ1，σ2—分别为管道的一次和二次应力，MPa ；[σ]20， [σ]t—管材在20℃及设计温度下的许用应力，MPa；f—应力范围减小系数，它与管道全温度周期性交变次数N有关，当N≤2500时，可取f=1。

4 管道的应力计算与分析

4.1 管道计算模型

管道的应力计算采用ANSYS PIPING MODELS，根据试验现场的条件，管道计算模型从蒸汽管道母管的两个固定点开始，到汽轮机主蒸汽进汽口结束，如图1所示。其中包括直管段、弯管段、阀门、大小头和支管段，支吊架有弹簧支架、导向支架、固定支架和滑动支架。

4.2 管道应力分析

根据计算参数对管道在热态和冷态状况下进行应力计算。得到如下结论：

4.2.1 管道非弹簧支吊架应力计算值见表1。

4.2.2 管道弹簧支吊架应力计算值见表2。

4.2.3 管道对汽轮机进口的推力见表3。

根据表3的结果，可以计算出，在热态下0.9144Fr+Mr=1078N·m；在冷态下0.9144Fr+Mr=251N·m。汽轮机进口公称直径为300mm，可知26.689De=6227N·m。所以汽轮机在热态和冷态下，都是满足管口推力的判定准则的。

4.2.4 管道的一次应力和二次应力计算结果如图2和图3所示。

由图2 ， 3可知，管道的一次应力为21.25 MPa，二次应力为63.18 MPa。再根据式（2）和式（3），可得表4。

从表4可以看出，设计的汽轮机管道满足管道应力的判定准则。

结语

本文用ANSYS PIPING MODELS对南京汽轮电机有限责任公司某工业汽轮机空载试验主蒸汽管道进行建模和应力计算，计算结果表明整个主蒸汽管道的一次应力和二次应力均低于许用值。而且，汽轮机管口推力也满足要求。因此此主蒸汽管道设计较合理，能满足机组的安全运行。

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