大通径空冷排汽管道整体应力分析探讨

姚雅秋

（西北电力设计院有限公司，西安 710075）

0 引言

随着我国电力工业的飞速发展，电厂用水困难问题日益突出。同时，我国对环保的要求日趋严格，在这种情况下，优化火电结构，发展坑口大机组电站，以达到高效、洁净、节水发电势在必行。我国北方地区煤炭资源丰富，但水资源缺乏，采用常规循环冷却水系统的电厂用水量巨大（其中循环冷却水用量约占全厂用水量的50%～80%），使其发展受到了严重制约。而直接空气冷却机组可以大大节约用水量，且电厂选址不受水源制约，适宜在缺水地区推广[1]。直接空冷系统是将汽轮机的乏汽引入粗大的真空排汽管道，送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将乏汽在散热器内冷却成水。所以真空排汽管道的作用是将做过功的乏汽从汽轮机排入空冷凝汽器内，管径达6 m的管道热胀冷缩产生的推力对汽轮机和空冷凝汽器的安全运行具有极大影响[2]。此前国内从未设计过如此大通径的真空管道，这也是国产化的技术难题。

本文针对这一技术难题，应用管道应力计算程序完成了排汽管道的外部受力和汽轮机空冷换热器推力计算及真空推力、摩擦力、风荷载、地震荷载等组合计算，以保证排汽管道在各个工况下安全运行。

1 计算模型的建立

依托某600 MW电厂工程（如图1）应用CAESAR II程序对大通径空冷排汽管道进行整体应力分析探讨，完成以下整体应力分析要求，以便通过调整得到满足应力分析要求的排汽管线：1）确定支吊架的形式，计算支架处的载荷；2）计算弹簧载荷，选择弹簧型号；3）给出除三通、大小头变径段、支撑点之外的一次应力和二次应力；4）计算设备接管处的载荷；5）地震、风载等多工况分析；6）整体振动分析和动应力校核（固有频率、谐振等）；7）将所有的管道建成一个模型进行分析。

图1 某600 MW电厂工程管线图

众所周知，CAESAR II软件是根据有限元的方法，将管系化为各个梁单元进行求解，所以管道建模时对大通径钢管的建模和一般的管道建模没有区别[3]，而排汽管道建模的难点则落在了波纹管补偿器、支吊架约束模型建立及各种工况的设立上。

1.1 波纹管补偿器的建模

真空排汽管道将做过功的乏汽从汽轮机排入空冷凝汽器内，管道在有限的空间且要尽量减少管道压损，无法实现真空排汽管道系统自然补偿由温度等引起的热胀冷缩，所以需要使用波纹管补偿器来补偿管系[4]；同时真空排汽管道具有直径大、负压和温度较高的特点，非常适合使用波纹管补偿器来降低系统的应力和载荷。因此在大通径空冷排汽管道上一般都设有各种类型的波纹管补偿器，以满足排汽管道接口推力及应力的要求。

如图1所示，排汽装置底部固定，上部通过膨胀节与汽轮机低压缸排汽口相连，对于排汽管道来说，排汽装置与排汽管道接口可视为固定点，接口处的附加位移参与管道整体应力计算。在排汽装置和排汽管道立管之间的水平管道上设有一只曲管压力平衡型补偿器，用来吸收水平管道轴向位移及排汽装置和管道之间的不均匀沉降。由于垂直管道底部设有刚性支架，因此垂直管道将向上膨胀，为此在垂直管道上设有2只万向角型补偿器，在垂直管道上部与空冷器分配管相接的水平管道上设有1只角向型补偿器，这3只补偿器与管道上的弹性支撑组合起来，以吸收上部管道的位移和空冷器接口处的不均匀沉降。由于排汽管道上半部分刚度设计得比较柔，与空冷器蒸汽分配管、散热管及散热片组成的实体相比，空冷器接口可视为固定点，接口处的附加位移参与管道静力计算。对双排汽机组，1台机组的2个排汽管道之间有1个为平衡压力的连通管，为了吸收热位移和平衡压力，在连通管上设有1个通用型补偿器，并用拉杆进行约束。

因此根据某600 MW工程电厂空冷排汽管道布置特点及其热胀的方向特点，设立的波纹管补偿器有如下类型：曲管压力平衡型、万向型、角向型和通用型补偿器。

曲管压力平衡型膨胀节主要用于吸收方向发生变化的轴向和侧向位移，并不会使系统支座和设备承受内压推力的作用[3]。本工程用的曲管压力平衡型膨胀节是由3个通用型的补偿器通过封头和拉杆的作用组合而成。曲管压力平衡型补偿器按照复杂模型进行建立，即将通用型的补偿器模拟成有限长的膨胀节，用膨胀节的轴向刚度、横向刚度、弯曲刚度、扭转刚度及有效内径来定义（由于有限长的膨胀节，横向刚度和弯曲刚度有直接关系[5]，这里只需要填入其中之一）。并把拉杆也用杆单元进行模拟，如图2中所示，节点5000～5030、6000～6030、7000～7030和8000～8030为4根拉杆，且均为带约束的拉杆，使主排汽管道上的3个通用型膨胀节通过伸展和压缩变形来吸收排汽管道水平轴向位移并平衡内压推力，拉杆上RX自由使通用型膨胀节RX角向可补偿排汽装置和管道之间的不均匀沉降，RZ有间隙约束可补偿排汽装置接口热位移，从而达到此处选用曲管压力平衡型膨胀节的目的。

图2 膨胀节拉杆布置图

万向型补偿器可在任意平面内作角偏转，而角向型补偿器只能作单平面内的角偏转，利用2个万向型和1个角向型补偿器可以吸收空间管段的位移[6]。这两种补偿器均模拟成零长度的膨胀节，用膨胀节的轴向刚度、横向刚度、弯曲刚度、扭转刚度来定义。其中因为角向型补偿器只能做单平面内的偏转，所以受一个方向上的转动约束，以图1为例，则在垂直方向上受到转动约束限制。

通用型补偿器模拟成有限长的膨胀节，用膨胀节的轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度及有效内径来定义。由于通用型补偿器能同时吸收轴向和角向位移，为了防止此处的膨胀节在任意平面内作偏转造成排汽管道的破坏，同时达到平衡两个排汽管道的压力，在连通管两侧加上拉杆进行约束。在建模过程中，同样要把拉杆也用受约束的杆单元进行模拟。

1.2 支吊架约束的建模

排汽装置一出口的排汽管道上使用膨胀节后，管道就被膨胀节分成了3段独立膨胀的管段，在各管段上应加上支架，防止膨胀节受管段的重力破坏，同时为了吸收垂直方向的热胀力及不均匀沉降，在接口后的前两段管段上采用弹簧支架，而第三段则采用刚性支架，使管道将向上膨胀，由上部的2只万向角型补偿器和1只角向型补偿器共同作用来吸收。在空冷排汽管道上部水平管道上设立3个弹簧吊架来支撑管道。

由于排汽管道是大通径管道，相应的支架和吊架的管部也较大，这时管部的质量就不能忽略了，在建模时应将管部作为带质量的刚性件来进行模拟。

如果只是提供土建结构专业支吊架基础荷载资料，对支吊架的模拟可以用一点接触来模拟。如果把整体应力计算出来的支吊架受力作为排汽管道有限元分析的已知外力，则可以把支吊架模拟成多点接触，如图3所示。通过这两种模拟方法的计算结果可以看出，第二种模拟方法的结果的合力及力矩与第一种方法所得结果是一致的。

图3 支吊架模拟方案

由于空冷排汽管道D/t>100，属于大口径薄壁管，在刚性支座处均设有防止扭转的螺栓，简单模拟为方向约束与约束本身不一致，应在模拟约束时把扭转约束也同时加以模拟[7]，如图4所示。

图4 螺栓旋转约束设置

解决了上述两个建模的难点，针对某电厂600 MW机组工程的空冷排汽管道，可以建立整体应力分析的模型如图5所示（本模型的支吊架用第一种方法模拟）。这一模型可以用于各工况下进行整体应力分析。

图5 空冷排汽整体应力分析模型图

2 计算工况的确定与设立

大通径排汽管道整体应力分析要对排汽管道的温度、压力、沉降、接口位移、摩擦力、风荷载、地震荷载等组合工况进行计算，对这些工况进行其因果关系分析，对于CAECARII软件设立工况组合。设计工况组合时按照下面几条原则。

我们需要让程序来选择弹簧支吊架，而确定弹簧支吊架尺寸的两个基本要求：即支架所承受的自重与允许的重直位移范围。为了得到选择弹簧支吊架所需要的数据，要进行两个载荷工况的分析。第一种载荷工况（传统上称为约束质量）仅包含自重和外力（W+F1）；对于第二种载荷工况，包含自重、温度、第一组压力（若已定义）、位移和力（W+D1+T1+Pl+Fl）。因为有多个沉降工况和温度工况，所以采用多工况选择弹簧。本次整体应力分析中外力为0，即F1＝0。

工况组合时假设风荷载和地震荷载不同时发生，不进行叠加。管系存在非线性约束，使用两个其它载荷工况之间的差值来建立膨胀（EXP）和偶然（OCC）载荷工况来说明非线性约束。工况组合如下。

1）弹簧选择工况。a.自重工况，仅考虑自重，不考虑热膨胀；b.自重工况+位移工况（热态端点无沉降）＋温度工况（冬季）＋压力工况（冬季）；c.自重工况+位移工况（热态端点无沉降）＋温度工况（夏季）＋压力工况（夏季）；d.自重工况+位移工况（热态空冷器沉降）＋温度工况（设计）＋压力工况（设计）；e.自重工况+位移工况（热态机座沉降）＋温度工况（设计）＋压力工况（设计）。

2）运行工况。a.自重工况+位移工况（热态端点无沉降）＋温度工况（各种热态）＋压力工况（各种热态温度对应的压力）＋弹簧附加力；b.自重工况+位移工况（冷态端点无沉降）＋温度工况（极低温）＋压力工况（设计真空）＋弹簧附加力；c.自重工况+位移工况（热态空冷器沉降）＋温度工况（各种热态）＋压力工况（各种热态温度对应的压力）＋弹簧附加力；d.自重工况+位移工况（冷态空冷器沉降）＋温度工况（极低温）＋压力工况（设计真空）＋弹簧附加力；e.自重工况+位移工况（热态机座沉降）＋温度工况（各种热态）＋压力工况（各种热态温度对应的压力）＋弹簧附加力；f.自重工况+位移工况（冷态机座沉降）＋温度工况（极低温）＋压力工况（设计真空）＋弹簧附加力；g.自重工况＋压力工况（包括冬季、夏季、设计）＋弹簧附加力。

3）膨胀和偶然工况。a.运行工况中a～f各种工况－g工况相对应的差值为膨胀工况；b.±X方向风荷载工况与运行工况中a、c、e工况的组合；c.±Y方向风荷载工况与运行工况中a、c、e工况的组合；d.±X方向地震荷载工况与运行工况中a、c、e工况的组合；e.±Y方向地震荷载工况与运行工况中a、c、e工况的组合；f.±Z方向地震荷载工况与运行工况中a、c、e工况的组合。

3 结论

1）根据分析设置波纹管补偿器的类型，将曲管压力平衡型补偿器采用复杂模型，万向型、角向型补偿器采用简单模型建模后，对排汽管道整体应力分析满足工程设计要求。应力分析结果在各工况下排汽管道安全、应力水平好、接口推力及力矩满足设备要求的情况下，可以提供各膨胀节的技术参数用于膨胀节的选型。

2）支吊架约束的建模时用一点接触来模拟，可以确定支吊架的荷重，满足土建结构专业支吊架基础荷载的提资要求。

3）支吊架约束的建模时用多点接触来模拟，计算出支吊架受力，可以作为排汽管道有限元分析的已知外力。

4）支吊架约束的建模时通过一点接触和多点接触两种模拟方法得出的合力及力矩与一点接触方法得的结果是一致的。

5）分析工况的建立需要对排汽管道的温度、压力、沉降、接口位移、摩擦力、风荷载、地震荷载等载荷分量进行组合。

6）由于排汽管道D/t>100，属于大口径薄壁管，其三通、折转、变径和支吊架管部等结构不连续产生应力集中的地方，必须应用有限元程序进行详细的应力分析。