CAESAR II軟件中使用GB標(biāo)準(zhǔn)管道材料存在的問(wèn)題和處理措施

吳驊鳴，盛軍杰 ，張祖輝

(1. 浙江省電力設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310012；2. 中國(guó)聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310014)

CAESAR II軟件中使用GB標(biāo)準(zhǔn)管道材料存在的問(wèn)題和處理措施

吳驊鳴1，盛軍杰2，張祖輝1

(1. 浙江省電力設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310012；2. 中國(guó)聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310014)

管道應(yīng)力計(jì)算軟件CAESAR II目前不支持中國(guó)電力管道應(yīng)力計(jì)算規(guī)范DL/T5366，支持美國(guó)動(dòng)力管道規(guī)范ASME B31.1。對(duì)在CAESARII軟件中使用GB標(biāo)準(zhǔn)管道材料，并采用B31.1規(guī)范作應(yīng)力計(jì)算時(shí)，存在的安全裕量不足、應(yīng)力可能超標(biāo)的問(wèn)題，分析了其中的原因，給出了在實(shí)際工程中處理的措施，保證管道應(yīng)力安全。

CAESAR II；管道材料；管道應(yīng)力計(jì)算。

1 問(wèn)題的提出

CAESAR II軟件是國(guó)際上較為通行的管道應(yīng)力計(jì)算軟件。近年來(lái)，隨著我國(guó)高參數(shù)、大容量發(fā)電機(jī)組的快速發(fā)展，以及電力行業(yè)外交往的增多，該軟件在我國(guó)發(fā)電廠汽水管道的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)中獲得了較多的應(yīng)用。

進(jìn)行汽水管道應(yīng)力計(jì)算時(shí)，需要建立管道系統(tǒng)物理模型，輸入的參數(shù)包括管道規(guī)格、走向、約束、溫度、壓力和管道材料物理特性數(shù)據(jù)。建立模型后，軟件以桿單元進(jìn)行有限元計(jì)算，得出不同工況下管道各支吊點(diǎn)的荷載、位移、各端點(diǎn)推力、管道內(nèi)力。軟件還根據(jù)用戶選擇的規(guī)范，按規(guī)范要求的評(píng)定公式，對(duì)比規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力，進(jìn)行管道持續(xù)荷載應(yīng)力(俗稱一次應(yīng)力)、位移荷載應(yīng)力(俗稱熱脹應(yīng)力、二次應(yīng)力)和偶然荷載應(yīng)力的評(píng)定。

管道材料物理特性數(shù)據(jù)，包括不同溫度下密度、彈性模量、線膨脹系數(shù)、許用應(yīng)力、泊松比等。我國(guó)電力行業(yè)采用的應(yīng)力評(píng)定規(guī)范，主要是DL/T5366-2006“火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程”(以下簡(jiǎn)稱DL/T5366)和美國(guó)動(dòng)力管道規(guī)范ASME B31.1(以下簡(jiǎn)稱B31.1)。計(jì)算時(shí)，輸入的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)必須源自選擇的規(guī)范。原因是不同規(guī)范的材料許用應(yīng)力數(shù)據(jù)確定方法有所不同，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力評(píng)定公式也有所不同。許用應(yīng)力必須與評(píng)定公式相對(duì)應(yīng)。比如采用的管道材料是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的材料，選擇B31.1規(guī)范計(jì)算，許用應(yīng)力數(shù)據(jù)需采用B31.1規(guī)定的數(shù)據(jù)。采用的管道材料是GB標(biāo)準(zhǔn)的材料，選擇DL/T5366規(guī)范計(jì)算，許用應(yīng)力數(shù)據(jù)采用DL/T5366規(guī)定的數(shù)據(jù)。

實(shí)際電力工程當(dāng)中，常需要用到GB標(biāo)準(zhǔn)管道材料，相應(yīng)的計(jì)算規(guī)范應(yīng)當(dāng)是DL/T5366，但CAESAR II目前不支持DL/T5366，如需要采用CAESAR II做計(jì)算(比如涉外工程)，只能選擇比較接近的B31.1規(guī)范。形成使用DL/T5366管道材料許用應(yīng)力數(shù)據(jù)，而按B31.1規(guī)范的應(yīng)力評(píng)定公式進(jìn)行評(píng)定的局面。在這種情況下，CAESAR II給出的應(yīng)力計(jì)算報(bào)告是安全裕量不足的，在一些情況下，CAESAR II應(yīng)力報(bào)告顯示合格時(shí)，實(shí)際上并不合格，會(huì)誤導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，帶來(lái)不安全隱患。下面對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論并舉實(shí)例說(shuō)明。

2 管道材料許用應(yīng)力數(shù)據(jù)的取用及其對(duì)應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果的影響

在使用CAESAR II時(shí)，對(duì)電力行業(yè)，選擇采用的是B31.1規(guī)范，因此輸入CAESAR II的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)符合B31.1的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)取用規(guī)則。如果可以得到符合B31.1的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)取用規(guī)則的權(quán)威的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)，那么事情就很簡(jiǎn)單了，問(wèn)題在于我國(guó)電廠汽水管道常用的材料的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)的權(quán)威來(lái)源是DL/T5366，而該規(guī)程許用應(yīng)力數(shù)據(jù)取用規(guī)則與B31.1存在一定的差異。

下面的描述當(dāng)中，采用的符號(hào)的意義，限于篇幅，請(qǐng)參見(jiàn)DL/T5366-2006附錄A表A.1。

(1)DL/T5366按交變次數(shù)N=2500次設(shè)計(jì)，許用應(yīng)力數(shù)據(jù)取用規(guī)則為：[σ]20=σb/3、[σ]t=σts/1.5或σtD/1.5、σtS(20%)/1.5的最小值。

應(yīng)力評(píng)定公式如下：

①持續(xù)荷載作用下的應(yīng)力驗(yàn)算：

②偶然荷載作用下的應(yīng)力驗(yàn)算：

(2)B31.1按交變次數(shù)N =700次設(shè)計(jì)，許用應(yīng)力數(shù)據(jù)取用規(guī)則為：[σ]20=σb/4或σS/1.6的小值，[σ]t=σts/1.6、 σtD/1.6、σtn的最小值。

其中σtn為材料10萬(wàn)小時(shí)蠕變率為1%的蠕變極限(MPa)。

應(yīng)力評(píng)定公式如下：

①持續(xù)荷載作用下的應(yīng)力驗(yàn)算：

(3)從上面可以看出：

①熱態(tài)許用應(yīng)力[σ]t，DL/T5366比B31.1要大，后者大致是前者的1.5/1.6 = 93.75%。常溫許用應(yīng)力[σ]20，DL/T5366比B31.1要大，后者大致是前者的3/4 = 75%。

②位移荷載應(yīng)力許用范圍的計(jì)算系數(shù)有差異，DL/T5366為1.2，B31.1為1.25。由于這個(gè)因素，兩個(gè)規(guī)范的位移應(yīng)力范圍計(jì)算值不同，B31.1的范圍要大，再結(jié)合[σ]20和[σ]t不同這個(gè)因素，綜合后，在交變次數(shù)在2500時(shí)，位移荷載應(yīng)力范圍計(jì)算值，DL/T5366要大，隨著交變次數(shù)的增加，系數(shù)f的介入，計(jì)算值的差異逐步縮小，交變次數(shù)7000次及以上時(shí)，計(jì)算值基本相當(dāng)。

兩個(gè)規(guī)范當(dāng)中[σ]20和[σ]t的不同，導(dǎo)致DL/T5366的[σ]20和[σ]t代入B31.1應(yīng)力評(píng)定公式后：按B31.1的要求，對(duì)持續(xù)和偶然應(yīng)力，許用值偏大，對(duì)位移應(yīng)力范圍，許用范圍偏大；按DL/T5366的要求，對(duì)持續(xù)和偶然應(yīng)力，許用值正確，對(duì)位移應(yīng)力范圍，由于計(jì)算系數(shù)1.2和1.25的不同，許用范圍也偏大。由于許用值(范圍)偏大，當(dāng)軟件報(bào)告應(yīng)力小于許用值(范圍)而認(rèn)為合格的時(shí)候，實(shí)際安全裕量是不足的，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3 計(jì)算實(shí)例分析

下面以某600MW級(jí)超超臨界火力發(fā)電廠低溫再熱蒸汽供輔助蒸汽管道應(yīng)力計(jì)算為實(shí)例進(jìn)行分析。

3.1 管道數(shù)據(jù)

①管道走向：管道從低溫再熱蒸汽管道主管引出，按順序設(shè)置流量噴嘴、電動(dòng)隔離閥、調(diào)節(jié)閥、手動(dòng)隔離閥、止回閥，接入輔助蒸汽聯(lián)箱。

②管道設(shè)計(jì)參數(shù)：調(diào)節(jié)閥前：壓力6.372MPa，溫度388℃；調(diào)節(jié)閥后：壓力1.427MPa，溫度404℃。

③管道規(guī)格：調(diào)節(jié)閥前Φ273×16，調(diào)節(jié)閥后Φ325×18。

④管道材料：2 0號(hào)鋼，許用應(yīng)力[σ]20=131MPa，388℃下[σ]t= 90MPa。

⑤端點(diǎn)約束：10節(jié)點(diǎn)為低溫再熱管道接出三通點(diǎn)，應(yīng)力增加系數(shù)i = 3.1；290節(jié)點(diǎn)為輔助蒸汽聯(lián)箱固定支架。

⑥支吊架約束：40節(jié)點(diǎn)、60節(jié)點(diǎn)、70節(jié)點(diǎn)、100節(jié)點(diǎn)、140節(jié)點(diǎn)為彈簧吊架，180節(jié)點(diǎn)、200節(jié)點(diǎn)、220節(jié)點(diǎn)為滑動(dòng)支架。

⑦設(shè)計(jì)交變次數(shù)：N = 2500次，機(jī)組帶基本負(fù)荷。

3.2 添加管道材料特性數(shù)據(jù)到軟件的用戶材料數(shù)據(jù)庫(kù)

把20號(hào)鋼的管道材料數(shù)據(jù)(見(jiàn)DL/T5366附錄)，添加到CAESAR II用戶管道材料數(shù)據(jù)庫(kù)中，具體是在軟件主窗口的Tool/Material Database里邊進(jìn)行操作，注意選擇的規(guī)范是B31.1。

3.3 管道CAESAR II建模

CAESAR II模型見(jiàn)圖1。

3.4 CAESAR II計(jì)算結(jié)果和人工復(fù)核

考察10節(jié)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～表6。

表1 彎矩

表2 持續(xù)荷載應(yīng)力水平 (單位：MPa)

表3 位移荷載應(yīng)力水平 (單位：MPa)

根據(jù)彎矩(表1)數(shù)據(jù)，對(duì)10節(jié)點(diǎn)按DL/T5366進(jìn)行人工復(fù)核，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 持續(xù)荷載應(yīng)力水平 (單位：MPa)

表5 位移荷載應(yīng)力水平 (單位：MPa)

對(duì)需長(zhǎng)期調(diào)峰的機(jī)組、涉外機(jī)組等需按7000次交變次數(shù)設(shè)計(jì)，達(dá)到B31.1設(shè)計(jì)起點(diǎn)7000次水平，f = 4.78N-0.2= 0.813，見(jiàn)表6。

表6 位移荷載應(yīng)力不平 (單位：MPa)

根據(jù)上述復(fù)核的結(jié)果，CAESAR II按B31.1規(guī)范得出的位移荷載應(yīng)力水平為96.1%，應(yīng)力評(píng)定合格。人工按DL/T5366規(guī)范2500次交變復(fù)核，卻是不合格的，超標(biāo)0.8%，按7000次交變復(fù)核，更不合格，超標(biāo)24%。復(fù)核結(jié)果是可信的，因?yàn)楣懿牡脑S用應(yīng)力值與復(fù)核用的規(guī)范是一致的。

4 結(jié)論及處理措施

綜上，電力管道設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)中，在CAESAR II中使用GB標(biāo)準(zhǔn)管道材料，輸入的是符合DL/T5366規(guī)則的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)，按B31.1規(guī)范評(píng)定應(yīng)力的情況下，確實(shí)存在安全裕量不足的情況，容易發(fā)生事實(shí)上的應(yīng)力超標(biāo)，推薦的處理措施是：

措施一：

(1)設(shè)計(jì)交變2500次時(shí)，持續(xù)應(yīng)力水平軟件報(bào)告準(zhǔn)確。位移應(yīng)力水平軟件報(bào)告不準(zhǔn)確，基于不同材料不同溫度實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算并留一定裕量，軟件報(bào)告應(yīng)力水平約為90%及以下時(shí)實(shí)際上應(yīng)力才合格。

(2)設(shè)計(jì)交變7000次時(shí)，軟件的持續(xù)應(yīng)力水平軟件報(bào)告準(zhǔn)確。位移應(yīng)力水平不準(zhǔn)確，基于不同材料不同溫度實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算并留一定裕量，軟件報(bào)告應(yīng)力水平約70%及以下時(shí)，實(shí)際應(yīng)力水平才合格。

措施二：設(shè)計(jì)交變7000次時(shí)，把符合DL/T5366規(guī)則的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)適當(dāng)修正降低到B31.1規(guī)范的要求，輸入軟件進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力計(jì)算報(bào)告基本準(zhǔn)確。由于沒(méi)有明確的修正公式，修正的精度有限，因此應(yīng)力水平宜適當(dāng)留裕量。

[1]DL/T53666-2006，火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程[S]．

[2]GB50316-2000，工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3]ASME B31.1-2007，POWER PIPING[S]．

Disposal Measure & Existent Problems of Using GB Pipeline Material in CAESARII Software

WU Hua-ming1, SHENG Jun-jie2, ZHANG Zhu-hui1
(1. Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, China;
2. China United Engineering Corp., Hangzhou 310014, China)

Pipe stress analysis software-CAESAR II support American power piping code-ASME B31.1, but doesn’t support Chinese power piping stress calculating code-DL/T5366. The risk of pipe overstress when using GB standard pipe material and applying B31.1 Code in CAESAR II software was studied, the method to solve this problem was provided, so as to keep stress of piping which been analyzed in safe scope.

CAESAR II; pipe material; pipe stress analysis.

TP39

B

1671-9913(2011)03-0048-04

2011-03-08

吳驊鳴(1978- )，男，浙江嘉興人，碩士，工程師，浙江省電力設(shè)計(jì)院。