CAESARⅡ在火电厂蒸汽管道应力分析中的应用
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[２] 闫思江，杨金凯，赵剑波．供热管道热损失有限元分 析[Ｊ]．河南科学，２０１３，（９）：１４３２ －１４３４．
[３] 李超，彭喜魁，刘洪仁．ＡＳＭＥ Ｂ３１ ．３ 与空分装置冷 箱内管道应力分析[Ｊ]．化工机械，２０１５ ，（３ ）：３０８ －３ １ ０ ．
[４] 唐永进．压力管道应力分析[Ｍ]．北京：中国石化出 版社，２００３
２．３ 汽锤力分析
经汽锤力专用计算软件计算该主蒸汽管道的
汽锤力后，其大小及作用节点如表 ５ 所示。
压力波达到极值时间选为阀门完全关闭时间
０．１５ ｓ，汽锤力的持续时间用以下公式计算：
Байду номын сангаас
ｔ ＝Ｌ／ｃ
（１ ）
图 ３ ２１１８ 节点汽锤力与时间的响应频谱 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｈａｍｍｅｒ
１．２ 荷载工况 在进行静力分析时，如没有特殊要求，即可选
用 ＣＡＥＳＡＲＩＩ 推荐的工况，ＯＰＥ 工况、ＳＵＳ 工况和 ＥＸＰ 工况。
ＯＰＥ 工况为运行热态工况计算管端热态推 力，以校验端 点 （设 备 ）的 承 受 能 力，也 可 计 算 支 吊点上的运行热态荷载。
ＳＵＳ 工况为持续荷载工况计算管系的持续荷 载应力，作为一次应力校验的依据。
弹簧型式 ２Ｘ１ １２
工作荷载 ／Ｎ －３３５９３
Ｄｘ －１４０．２４９
热位移 Ｄｙ
－１９．９９５
恒力支吊架
－５ ２９ １ ７
－１２４．９４１
－６６．２４７
恒力支吊架
－４２７８２
－１０７．１３３
－１０７．２８８
…
…
…
…
…
限位装置
Ｆｙ ＝－１２５９６６
６８．５６２
０
弹簧支吊架 ２Ｘ（２１５ ＋１ １５ ）
ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｏｆ ２１１８ ｎｏｄｅ
设置相应节点所受汽锤力大小、方向，偶然工 况设为 Ｄ２ 。在进行管道的动态分析时可以进行 多种工况的组合，例如 Ｄ１ 与 Ｄ２ 组合，Ｄ１ 与 ＯＰＥ 工况组合等等，为了使支吊架在最不利的一组工 况中也能符合条件，计算时选择 Ｄ１ 与 Ｄ２ 同时作 用，与 ＯＰＥ 工况结合计算 操 作 状 态 的 支 吊 架 荷 载，与 ＳＵＳ 工况结合计算偶然应力作为验证是否 符合应力规范的依据。主蒸汽管道偶然工况下阻 尼器荷载见表 ６。
受力方向 Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｘ Ｙ
受力大小 ／Ｎ －１５７０５７ －１ ３８８ １ ４ －１ ３９ １ ５ ７ －１５８０４２ －１３６９６５ １０８１６７ ８１７８８
３ 结论
本文讨论了采用 ＣＡＥＳＡＲⅡ应力分析软件进 行火电厂高温高压管道应力分析的一般模式以及 应力分析计算中可能遇到的问题与解决方法；使 用 ＣＡＥＳＡＲⅡ软件可以计算管道的固有频率，应 用频谱分析的方法来分析管道的动态载荷如安全 阀排汽反力、汽锤力、风荷载、地震荷载等，结果较
节点始端 ９０１ １ ００３ １ ２１１１ ３０３ ３０２ １０１３４
节点末端 １ ０００ １ ３０１ １００７９ １０１ １３ ５０１ ５０３
二次应力 ／Ｐａ ４３９３８．２ ７７６０８．６ ２９１ １ １．１ ３８２３５．５ １ １６０６６．７ ６９７ １ ７．３
许用应力 ／ｋＰａ ２ １ ８２７６ ２ １ ８２７６ ２ １ ８２７６ ２ １ ８２７６ ２ １ ８２７６ ２３８１３４
－１６４３４
５ １４０
－３ １ ７０ １
－３４４５３
－６５２０
－１０８０８５
Ｍｙ ／Ｎ ３９９４８ －３３０３８ １６０７６ １０２７２９
Ｍｚ ／Ｎ ６４０７６ ７３１８８ －２６６４６ －１３０４７３
节点始端 ２１ １５ １１１ ３０２ １０１ １４ １０１３０ １０１３４
节点末端 １２０ １ １２ １６ ２１ ５０２ ５０３
力波传播速度。
表 ５ 汽锤力大小及节点号 Ｔａｂ．５ Ｈａｍｍｅｒ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｎｏｄｅ ｎｕｍｂｅｒ
节点号 ２１１８ ２００６ ２１ １９ ２００５ ２００４ ２１ １０ ２１１１ ２１ １２ ２１１３
受力方向 Ｚ Ｘ Ｚ Ｙ Ｚ Ｙ Ｘ Ｙ Ｚ
排汽反力 ／Ｎ －７２９２．２８ ２０ １ ９５ ．６８ －７２９２．２８ １ ０ １ ４ １ ２．５ １ ８７９ ８．２３ ２０８８６．９２ －８７ １ ５ ５ ．４４ ２９ １ ２７．７６ ２５８８０７．９７
１．１ 管道承受荷载的确定 管道上所能承受的荷载大致可以分为 ４ 类。
１ ）压力及温度载荷，热力管道可能在几组不 同的压力和温度条件下运行，在 ＣＡＥＳＡＲＩＩ 中最 多可以设置 ９ 种温度及压力，进行支吊架设计时 应根据最不利的一组条件进行计算，以便管道在 最危险的工况下能满足条件。
图 １ 主蒸汽管道三维模型及节点分布 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ
…
０
节点号 ９０１ ９０２ ９０３ ９０４
Ｆｘ ／Ｎ ２４１６ ２４９７ －７７４ －１６４５３
表 ２ 运行热态端点推力表 Ｔａｂ．２ Ｒｕｎｎｉｎｇ ｈｏｔ ｅｎｄ ｐｏｉｎｔ ｔｈｒｕｓｔ ｔａｂｌｅ
Ｆｙ ／Ｎ
Ｆｚ ／Ｎ
Ｍｘ ／Ｎ
１９１
１０１７８
－３６ １ ７２２
４３７３
８５８８
－３３６ １ ９２
[５ ] 张鹏．火电 厂 汽 水 管 道 动 态 荷 载 [Ｊ]．广 东 科 技， ２００６（１ １ ）：８６ －８７
２０１５ 年 １２ 月 第 ４２ 卷第 ６ 期
云南化工 Ｙｕｎｎａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４-２７５ Ｘ．２０１５ ．０６．０１５
·探索应用·
Ｄｅｃ ．２０ １ ５ Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．６
ＣＡＥＳＡＲⅡ在火电厂蒸汽管道应力分析中的应用
郑明秀
－４４７５ １
７０．６８３
－１５．７２７
弹簧支吊架 ２Ｘ（２１２ ＋１ １２）
－３６９２８
４３．１０３
－１ ６．７ １ ８
…
…
…
…
…
固定装置
Ｆｘ ＝５９７５０
０
０
Ｆｙ ＝１５３５４８
Ｆｚ ＝－５４６９１
Ｄｚ １ １．９９７ ９２．７５ １ ８５ ．８０８
… －２５ ．１ ８ １ －２６．８ １ ４ －２６．１５４
节点号 ７０１ ７０２ ７０３ ７０４ ７１１ ７１２ ７１３ ７１４
受力方向 Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ
排汽反力 ／Ｎ －１０２７７６ －８９３９７ －７９３４３ －５ ７ １ ３７ －１０２７７６ －８９３９７ －７９３４３ －５ ７ １ ３７
式中，Ｌ 为相邻弯头—弯头对之间的距离；ｃ 为压
（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 １３００２２）
摘 要： 以某电厂主蒸汽管道为例，介绍了采用 ＣＡＥＳＡＲⅡ应力分析软件对电厂高温、高压蒸 汽管道进行应力分析的方法，对工程设计人员有一定的参考价值。
关键词： ＣＡＥＳＡＲ ＩＩ；火电厂；应力分析；蒸汽管道 中图分类号： ＴＭ６２１ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００４-２７５ Ｘ（２０１５ ）０６-００５８-０４
ＥＸＰ 工况为膨胀荷载工况以前两工况的位 移差，计算支吊点的热位移，和从热态到冷态的应 力差，作为二次应力校验的依据。
１．３ 应力分析结果 经检查无误后，可运行分析，分析后结果在静
态输出器中显示。主蒸汽管道支吊点运行热态荷 载及弹簧设计、运行状态端点推力、各管段一次应 力、二次应力最大值如表 １ 、表 ２、表 ３ 所示。
图 ２ ７０１ 节点排汽阀反力与时间的响应频谱 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ
ａｎｔｉ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｏｆ ７０１ ｎｏｄｅ
设置对应节点所受安全阀排汽反力的大小、 方向，假 设 安 全 阀 同 时 开 启，偶 然 载 荷 工 况 设 为 Ｄ１ 。
收稿：２０１５ －１０ －１５ 作者简介：郑明秀（１９８４ －），男，朝鲜族，硕士，从事火力发电厂设计及三维设计软件的相关研究工作。
２０１５ 年第 ６ 期
郑明秀：ＣＡＥＳＡＲⅡ在火电厂蒸汽管道应力分析的应用
·５９·
产生约束，使管道发生形变。 ４）偶然载荷，包括风雪荷载、地震荷载、流体
冲击以及安全阀动作等产生的冲击荷载[４，５]。
２０１５ 年第 ６ 期
郑明秀：ＣＡＥＳＡＲⅡ在火电厂蒸汽管道应力分析的应用
·６ １ ·
表 ６ 阻尼器受力计算结果表 Ｔａｂ．６ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｍｐｅｒ
节点号 ７７ １ ７７２ ７８２ ７８１ ７６１ １２００ １２００
支吊架类型 阻尼器 阻尼器 阻尼器 阻尼器 阻尼器 阻尼器 阻尼器
·６０·
云南化工
２０１５ 年第 ６ 期
２ 偶然荷载分析
静力分析通过后对主蒸汽管道进行动态应力 分析。
２．１ 安全阀排汽反力分析 锅炉厂提供主蒸汽管道上的安全阀排汽反力
及节点如表 ４ 所示 ．
表 ４ 排汽反力大小及节点号 Ｔａｂ．４ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ
ａｎｔｉｆｏｒｃｅ ｏｆ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｔｅａｍ
ｐｉｐｅ ａｎｄ ｊｏｉｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
２）持续外载，包括管道的基本载荷（管道及其 附件的重量、管内介质重量、管外保温重量等）、支 吊架反力、以及其它均布或集中的持续外载。
３）热胀及端点附加位移 管道由安装状态过 渡到运行状态，由于管内介质温度变化，热胀冷缩 使管道发生形变；与设备相连接的管道，由于设备 的温度变化，而出现端点的附加位移，从而对管道
１ 主蒸汽管道的应力分析
一般来说，电厂热力管道管系多为三维空间走 向，由一条或多条主管及数条支管组成，使用 ＣＡＥＳＡＲ ＩＩ 进行应力分析之前需根据管道参数及走向 建立管道应力分析的三维模型，以某电厂 １０ 号机 组主蒸汽管道为例，设计温 度 ５７１ ℃，设 计 压 力 ２５．５ ＭＰａ，材质 Ａ３３５Ｐ９１，管道保温厚度 ２２０ ｍｍ、保 温材质硅酸铝及岩棉，建立三维模型如图 １。
表 ３ 主蒸汽一次应力、二次应力表 Ｔａｂ．３ Ｔａｂｌｅ ｏｆ ｆｉｒｓｔ，ｓｅｃｏｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ
一次应力 ／ｋＰａ ２３３９０．６ ３４１４０．４ ３０４９３．５ ３１２５ １．４ ３６５０４．７ ３４５ １ １
许用应力 ／ｋＰａ ８２２７０ ８２２７０ ８２２７０ ８２２７０ ８２２７０ １２１９１０
准确，同时还能显示管道的各个振型，对管道的优 化设计有很大帮助。应力计算对支吊架的选型尤 其重要，它的重点在于保证各种输入的正确性以 确保输出的正确合理。如果输入边界条件等参数 存在错误，将会对输出结果造成很大的影响。
参考文献：
[１ ] 郑军．高温高压蒸汽管道动态分析[Ｊ]．电力能源， ２００９，３５ ：７９３ －７９４
节点号
１０２ １０３ １０４ … １７ １８ １９ … ５０３
表 １ 支吊点运行热态荷载、弹簧设计及热位移表（部分） Ｔａｂ．１ Ｔａｂｌｅ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏａｄ，ｓｐｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ
ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅｔｅｒ （ｐａｒｔ）
名称 弹簧支吊架
近年来，我国电力行业发展迅速，火电厂单元 机组容量和参数都不断提高，致使火电机组汽水 管道系统的设计更为复杂。管道的应力分析应保 证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道 因热胀冷缩、管道支撑或端点附加位移造成应力 问题[１，２]。 目 前，国 内 设 计 院 使 用 比 较 多 的 是 ＧＬＩＦ 管道应力计算软件；国外软件使用比较多的 是 ＣＡＥＳＡＲ ＩＩ、美国 ＡＥＣ Ｃｒｏｕｐ 公司的 ＣＡＤｐｉｐｅ， 美国 ＡＡＡ 公司的 Ｔｒｉｆｌｅｘ 等软件。其中，ＣＡＥＳＡＲ ＩＩ 软件是进行管道静力分析和动力分析的专用程 序，功能比较齐全，可考虑管道的非线性约束，如 管道与支架间的摩擦力、限位支架的间隙等，通过 计算可得出设备管口受力、管架受力、管道一和二 次应力、法兰受力、弹簧规格（如有弹簧支架）、管 道各节点位移以及管道振动频率等[３]。
２１ １４
Ｘ
６７４６８．５６
２１ １５
Ｙ
６８７３６．９７
２ １ ２０
Ｘ
－９４９４．０６
２１ １６
Ｘ
－３３２２ １ ．６０
２１ １７
Ｙ
６８７３６．９７
２１２１
Ｘ
９４９４．０６
以节点 ７０１ 为例，生成频谱曲线图，如图 ２。
根据阀门关闭时间及汽锤力持续时间建立力 与时间的响应频谱，以节点 ２１ １８ 为例，见图 ３。
[３] 李超，彭喜魁，刘洪仁．ＡＳＭＥ Ｂ３１ ．３ 与空分装置冷 箱内管道应力分析[Ｊ]．化工机械，２０１５ ，（３ ）：３０８ －３ １ ０ ．
[４] 唐永进．压力管道应力分析[Ｍ]．北京：中国石化出 版社，２００３
２．３ 汽锤力分析
经汽锤力专用计算软件计算该主蒸汽管道的
汽锤力后，其大小及作用节点如表 ５ 所示。
压力波达到极值时间选为阀门完全关闭时间
０．１５ ｓ，汽锤力的持续时间用以下公式计算：
Байду номын сангаас
ｔ ＝Ｌ／ｃ
（１ ）
图 ３ ２１１８ 节点汽锤力与时间的响应频谱 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｈａｍｍｅｒ
１．２ 荷载工况 在进行静力分析时，如没有特殊要求，即可选
用 ＣＡＥＳＡＲＩＩ 推荐的工况，ＯＰＥ 工况、ＳＵＳ 工况和 ＥＸＰ 工况。
ＯＰＥ 工况为运行热态工况计算管端热态推 力，以校验端 点 （设 备 ）的 承 受 能 力，也 可 计 算 支 吊点上的运行热态荷载。
ＳＵＳ 工况为持续荷载工况计算管系的持续荷 载应力，作为一次应力校验的依据。
弹簧型式 ２Ｘ１ １２
工作荷载 ／Ｎ －３３５９３
Ｄｘ －１４０．２４９
热位移 Ｄｙ
－１９．９９５
恒力支吊架
－５ ２９ １ ７
－１２４．９４１
－６６．２４７
恒力支吊架
－４２７８２
－１０７．１３３
－１０７．２８８
…
…
…
…
…
限位装置
Ｆｙ ＝－１２５９６６
６８．５６２
０
弹簧支吊架 ２Ｘ（２１５ ＋１ １５ ）
ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｏｆ ２１１８ ｎｏｄｅ
设置相应节点所受汽锤力大小、方向，偶然工 况设为 Ｄ２ 。在进行管道的动态分析时可以进行 多种工况的组合，例如 Ｄ１ 与 Ｄ２ 组合，Ｄ１ 与 ＯＰＥ 工况组合等等，为了使支吊架在最不利的一组工 况中也能符合条件，计算时选择 Ｄ１ 与 Ｄ２ 同时作 用，与 ＯＰＥ 工况结合计算 操 作 状 态 的 支 吊 架 荷 载，与 ＳＵＳ 工况结合计算偶然应力作为验证是否 符合应力规范的依据。主蒸汽管道偶然工况下阻 尼器荷载见表 ６。
受力方向 Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｘ Ｙ
受力大小 ／Ｎ －１５７０５７ －１ ３８８ １ ４ －１ ３９ １ ５ ７ －１５８０４２ －１３６９６５ １０８１６７ ８１７８８
３ 结论
本文讨论了采用 ＣＡＥＳＡＲⅡ应力分析软件进 行火电厂高温高压管道应力分析的一般模式以及 应力分析计算中可能遇到的问题与解决方法；使 用 ＣＡＥＳＡＲⅡ软件可以计算管道的固有频率，应 用频谱分析的方法来分析管道的动态载荷如安全 阀排汽反力、汽锤力、风荷载、地震荷载等，结果较
节点始端 ９０１ １ ００３ １ ２１１１ ３０３ ３０２ １０１３４
节点末端 １ ０００ １ ３０１ １００７９ １０１ １３ ５０１ ５０３
二次应力 ／Ｐａ ４３９３８．２ ７７６０８．６ ２９１ １ １．１ ３８２３５．５ １ １６０６６．７ ６９７ １ ７．３
许用应力 ／ｋＰａ ２ １ ８２７６ ２ １ ８２７６ ２ １ ８２７６ ２ １ ８２７６ ２ １ ８２７６ ２３８１３４
－１６４３４
５ １４０
－３ １ ７０ １
－３４４５３
－６５２０
－１０８０８５
Ｍｙ ／Ｎ ３９９４８ －３３０３８ １６０７６ １０２７２９
Ｍｚ ／Ｎ ６４０７６ ７３１８８ －２６６４６ －１３０４７３
节点始端 ２１ １５ １１１ ３０２ １０１ １４ １０１３０ １０１３４
节点末端 １２０ １ １２ １６ ２１ ５０２ ５０３
力波传播速度。
表 ５ 汽锤力大小及节点号 Ｔａｂ．５ Ｈａｍｍｅｒ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｎｏｄｅ ｎｕｍｂｅｒ
节点号 ２１１８ ２００６ ２１ １９ ２００５ ２００４ ２１ １０ ２１１１ ２１ １２ ２１１３
受力方向 Ｚ Ｘ Ｚ Ｙ Ｚ Ｙ Ｘ Ｙ Ｚ
排汽反力 ／Ｎ －７２９２．２８ ２０ １ ９５ ．６８ －７２９２．２８ １ ０ １ ４ １ ２．５ １ ８７９ ８．２３ ２０８８６．９２ －８７ １ ５ ５ ．４４ ２９ １ ２７．７６ ２５８８０７．９７
１．１ 管道承受荷载的确定 管道上所能承受的荷载大致可以分为 ４ 类。
１ ）压力及温度载荷，热力管道可能在几组不 同的压力和温度条件下运行，在 ＣＡＥＳＡＲＩＩ 中最 多可以设置 ９ 种温度及压力，进行支吊架设计时 应根据最不利的一组条件进行计算，以便管道在 最危险的工况下能满足条件。
图 １ 主蒸汽管道三维模型及节点分布 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ
…
０
节点号 ９０１ ９０２ ９０３ ９０４
Ｆｘ ／Ｎ ２４１６ ２４９７ －７７４ －１６４５３
表 ２ 运行热态端点推力表 Ｔａｂ．２ Ｒｕｎｎｉｎｇ ｈｏｔ ｅｎｄ ｐｏｉｎｔ ｔｈｒｕｓｔ ｔａｂｌｅ
Ｆｙ ／Ｎ
Ｆｚ ／Ｎ
Ｍｘ ／Ｎ
１９１
１０１７８
－３６ １ ７２２
４３７３
８５８８
－３３６ １ ９２
[５ ] 张鹏．火电 厂 汽 水 管 道 动 态 荷 载 [Ｊ]．广 东 科 技， ２００６（１ １ ）：８６ －８７
２０１５ 年 １２ 月 第 ４２ 卷第 ６ 期
云南化工 Ｙｕｎｎａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４-２７５ Ｘ．２０１５ ．０６．０１５
·探索应用·
Ｄｅｃ ．２０ １ ５ Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．６
ＣＡＥＳＡＲⅡ在火电厂蒸汽管道应力分析中的应用
郑明秀
－４４７５ １
７０．６８３
－１５．７２７
弹簧支吊架 ２Ｘ（２１２ ＋１ １２）
－３６９２８
４３．１０３
－１ ６．７ １ ８
…
…
…
…
…
固定装置
Ｆｘ ＝５９７５０
０
０
Ｆｙ ＝１５３５４８
Ｆｚ ＝－５４６９１
Ｄｚ １ １．９９７ ９２．７５ １ ８５ ．８０８
… －２５ ．１ ８ １ －２６．８ １ ４ －２６．１５４
节点号 ７０１ ７０２ ７０３ ７０４ ７１１ ７１２ ７１３ ７１４
受力方向 Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ Ｚ
排汽反力 ／Ｎ －１０２７７６ －８９３９７ －７９３４３ －５ ７ １ ３７ －１０２７７６ －８９３９７ －７９３４３ －５ ７ １ ３７
式中，Ｌ 为相邻弯头—弯头对之间的距离；ｃ 为压
（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 １３００２２）
摘 要： 以某电厂主蒸汽管道为例，介绍了采用 ＣＡＥＳＡＲⅡ应力分析软件对电厂高温、高压蒸 汽管道进行应力分析的方法，对工程设计人员有一定的参考价值。
关键词： ＣＡＥＳＡＲ ＩＩ；火电厂；应力分析；蒸汽管道 中图分类号： ＴＭ６２１ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００４-２７５ Ｘ（２０１５ ）０６-００５８-０４
ＥＸＰ 工况为膨胀荷载工况以前两工况的位 移差，计算支吊点的热位移，和从热态到冷态的应 力差，作为二次应力校验的依据。
１．３ 应力分析结果 经检查无误后，可运行分析，分析后结果在静
态输出器中显示。主蒸汽管道支吊点运行热态荷 载及弹簧设计、运行状态端点推力、各管段一次应 力、二次应力最大值如表 １ 、表 ２、表 ３ 所示。
图 ２ ７０１ 节点排汽阀反力与时间的响应频谱 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ
ａｎｔｉ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｏｆ ７０１ ｎｏｄｅ
设置对应节点所受安全阀排汽反力的大小、 方向，假 设 安 全 阀 同 时 开 启，偶 然 载 荷 工 况 设 为 Ｄ１ 。
收稿：２０１５ －１０ －１５ 作者简介：郑明秀（１９８４ －），男，朝鲜族，硕士，从事火力发电厂设计及三维设计软件的相关研究工作。
２０１５ 年第 ６ 期
郑明秀：ＣＡＥＳＡＲⅡ在火电厂蒸汽管道应力分析的应用
·５９·
产生约束，使管道发生形变。 ４）偶然载荷，包括风雪荷载、地震荷载、流体
冲击以及安全阀动作等产生的冲击荷载[４，５]。
２０１５ 年第 ６ 期
郑明秀：ＣＡＥＳＡＲⅡ在火电厂蒸汽管道应力分析的应用
·６ １ ·
表 ６ 阻尼器受力计算结果表 Ｔａｂ．６ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｍｐｅｒ
节点号 ７７ １ ７７２ ７８２ ７８１ ７６１ １２００ １２００
支吊架类型 阻尼器 阻尼器 阻尼器 阻尼器 阻尼器 阻尼器 阻尼器
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云南化工
２０１５ 年第 ６ 期
２ 偶然荷载分析
静力分析通过后对主蒸汽管道进行动态应力 分析。
２．１ 安全阀排汽反力分析 锅炉厂提供主蒸汽管道上的安全阀排汽反力
及节点如表 ４ 所示 ．
表 ４ 排汽反力大小及节点号 Ｔａｂ．４ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ
ａｎｔｉｆｏｒｃｅ ｏｆ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｔｅａｍ
ｐｉｐｅ ａｎｄ ｊｏｉｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
２）持续外载，包括管道的基本载荷（管道及其 附件的重量、管内介质重量、管外保温重量等）、支 吊架反力、以及其它均布或集中的持续外载。
３）热胀及端点附加位移 管道由安装状态过 渡到运行状态，由于管内介质温度变化，热胀冷缩 使管道发生形变；与设备相连接的管道，由于设备 的温度变化，而出现端点的附加位移，从而对管道
１ 主蒸汽管道的应力分析
一般来说，电厂热力管道管系多为三维空间走 向，由一条或多条主管及数条支管组成，使用 ＣＡＥＳＡＲ ＩＩ 进行应力分析之前需根据管道参数及走向 建立管道应力分析的三维模型，以某电厂 １０ 号机 组主蒸汽管道为例，设计温 度 ５７１ ℃，设 计 压 力 ２５．５ ＭＰａ，材质 Ａ３３５Ｐ９１，管道保温厚度 ２２０ ｍｍ、保 温材质硅酸铝及岩棉，建立三维模型如图 １。
表 ３ 主蒸汽一次应力、二次应力表 Ｔａｂ．３ Ｔａｂｌｅ ｏｆ ｆｉｒｓｔ，ｓｅｃｏｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ
一次应力 ／ｋＰａ ２３３９０．６ ３４１４０．４ ３０４９３．５ ３１２５ １．４ ３６５０４．７ ３４５ １ １
许用应力 ／ｋＰａ ８２２７０ ８２２７０ ８２２７０ ８２２７０ ８２２７０ １２１９１０
准确，同时还能显示管道的各个振型，对管道的优 化设计有很大帮助。应力计算对支吊架的选型尤 其重要，它的重点在于保证各种输入的正确性以 确保输出的正确合理。如果输入边界条件等参数 存在错误，将会对输出结果造成很大的影响。
参考文献：
[１ ] 郑军．高温高压蒸汽管道动态分析[Ｊ]．电力能源， ２００９，３５ ：７９３ －７９４
节点号
１０２ １０３ １０４ … １７ １８ １９ … ５０３
表 １ 支吊点运行热态荷载、弹簧设计及热位移表（部分） Ｔａｂ．１ Ｔａｂｌｅ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏａｄ，ｓｐｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ
ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅｔｅｒ （ｐａｒｔ）
名称 弹簧支吊架
近年来，我国电力行业发展迅速，火电厂单元 机组容量和参数都不断提高，致使火电机组汽水 管道系统的设计更为复杂。管道的应力分析应保 证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道 因热胀冷缩、管道支撑或端点附加位移造成应力 问题[１，２]。 目 前，国 内 设 计 院 使 用 比 较 多 的 是 ＧＬＩＦ 管道应力计算软件；国外软件使用比较多的 是 ＣＡＥＳＡＲ ＩＩ、美国 ＡＥＣ Ｃｒｏｕｐ 公司的 ＣＡＤｐｉｐｅ， 美国 ＡＡＡ 公司的 Ｔｒｉｆｌｅｘ 等软件。其中，ＣＡＥＳＡＲ ＩＩ 软件是进行管道静力分析和动力分析的专用程 序，功能比较齐全，可考虑管道的非线性约束，如 管道与支架间的摩擦力、限位支架的间隙等，通过 计算可得出设备管口受力、管架受力、管道一和二 次应力、法兰受力、弹簧规格（如有弹簧支架）、管 道各节点位移以及管道振动频率等[３]。
２１ １４
Ｘ
６７４６８．５６
２１ １５
Ｙ
６８７３６．９７
２ １ ２０
Ｘ
－９４９４．０６
２１ １６
Ｘ
－３３２２ １ ．６０
２１ １７
Ｙ
６８７３６．９７
２１２１
Ｘ
９４９４．０６
以节点 ７０１ 为例，生成频谱曲线图，如图 ２。
根据阀门关闭时间及汽锤力持续时间建立力 与时间的响应频谱，以节点 ２１ １８ 为例，见图 ３。