席佳
(东华工程科技股份有限公司，安徽合肥230024)
The Inlet Pipe of Steam Turbine Stress Analysis
Xi Jia
(East China Engineering Science & Technology Co., Ltd., Hefei 230024, Chin a)
Abstract: In the paper, CAESARII was used to analyze the inlet pipe of steam turbine, ASMEB31.3 and NE M A SM23 was used to verif y the stress. As a result, how to arrange the inlet pipe of steam turbine was resolved.
Keywords: turbine；stress analysis；CAESARII sof tware
在石油炼制和化工行业当中汽轮机是离心式压缩机、往复式
压缩机等转动设备的主要动力来源，它的主要功能是将余热蒸汽
的热能转化成机械动能，常见的汽轮机有中压背压式透平和低压
凝气式透平。由于汽轮机属于高转速设备，受力敏感，如果进气
排气管道布置不当，使其对汽轮机的作用力超出汽轮机所能承受
的范围，汽轮机的机壳就会产生变形、位移，进而导致定子与转
子发生偏心、间隙变化，引起机组及管道系统强烈震动，甚至被
迫联锁停车。文章针对汽轮机进气管道温度高，容易产生较大热
膨胀作用力的特点，采用C AE S AR II 管道应力分析软件对汽轮机
进气管道进行应力分析，通过设定合适的管架型式，使汽轮机进
气管口的受力情况满足NE M A SM23 的要求，从而保障汽轮机正
常安全运行。
1 CAESARII 整体应力分析目的和主要内容
1.1 目的
汽轮机进气管道具有压力高、温度高等特点，采用CAESARII
管道应力计算可进行进气管道系统分析计算，得到设备各接口推阿维菌素油膏
力和力矩，支吊架载荷和位移等，为设计提供理论依据。
1.2 计算分析范围和主要内容汽轮机进气口至固定架之间的管
木盒制作道。对计算范围内管系进行
整体应力分析，选择合适支架，使汽轮机进气管口的受力情况满 足NEMA SM23 的要求，保证汽轮机的安全运行。
2 设计参数的选取及管道布置
管径DN250-350，壁厚Sch40，保温层厚120 mm；
介质中压过热蒸汽，管道材料15CrMo G。
2.2 边界条件的确定
汽轮机两进气口的管口附加位移(此位移必须由制造厂提供)：
N1 Dx=-8.2 mm Dy=1.3 mm Dz=-11.8 mm
N2 Dx=8.2 mm Dy=1.3 mm Dz=-11.8 mm
2.3 管道布置
文章采用的管道布置见图1。
3 CAESARII 应力分析计算
道生液3.1 初步热应力分析
根据管道布置图建立模型，并输入相关边界条件，通过
CAESARII 应力分析软件得出该管系应力概要如图2，汽轮机管
口节点的荷载以及位移报告如图3。
图1 管道布置
自动折边机Fig.1 Piping arrangement
2.1 设计参数汽轮机进气口至固定架之间的
管道：操作温度400 ℃，操作压力3.82
MPa；设计温度450 ℃，设计压力4.2
MPa；图2 应力概要
Fig.2 Stress su m m a ry
[收稿日期] 2012-02-24
[作者简介] 席佳(1984-)，男，陕西榆林人，硕士，助理工程师，主要研究方向为管道应力分析及管道材料控制。
2012 年 第 5 期 第 39 卷 总第 229 期 广 东 化 工
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图 3 汽轮机管口荷载及位移报告
黑发液Fig.3 The reports of turbine no z zl es ’ loads an d dis pl a ce m e n t
为保障汽轮机能够安全运行，汽轮机管口的受力情况必须满 足 NE M A SM23 的要求，对比 NE M A SM23 的透平管口的允许外 力和和力矩算图(如图 4)，分析得知，管口 N1 力矩 MZ 偏大，管 口 N2 力矩 MX 和 MZ 偏大，力矩偏大主要是由相对应的力所产 生的，根据汽轮机的特点须设置相应的限位支架，限位支架位置 的最佳位置为汽轮机位移零点，即汽轮机轴线上，所以增设限位 支架，再次进行应力分析。
表 1 管架型式调整前后力及力矩
Forces and moments of pipe supports type
before and after adjusted
Tab.1 汽轮机 N1 管口(节点 10) 无限位支架 计算结果力
(k g f) 有限位支架 计算结果力
(k g f) 无限位支架 计算结果 力距(kgf ·m) 有限位支架 计算结果 力距(kgf ·m) F X F Y F Z
-203.3 -102.6 73.8
粘尘滚轮-109.6 -194.7 -30.9
-
155.0 291.9 -649.4
176.6
67.9 -385.2 汽轮机 N1 管口(节点 350)
无限位支架 计算结果力 (k g f) 有限位支架 计算结果力 (k g f) 无限位支架
计算结果
力距(kgf ·m) 有限位支架 计算结果 力距(kgf ·m) M X M Y M Z
-204.8 -436.3 -288.7
-103.9 -265.1 -43.1
938.7 276.3 -635.6
147.2
58.5 -347.9
由表 1 可知，通过限位支架的合理设置，有效降低了汽轮机 管口的力和力矩，使其能够满足 NEMA SM23 管口允许载荷的要 求。
3.3 对限位支架的要求 由此例可知，限位支架的合理使用非常重
要，选用限位支架
时，要保证其有足够的刚度，否则不能起到限制管道水平位移阻 挡水平力的作用，特别注意应避免选用单悬臂梁的结构；此限位 支架，只是限制一个方向的位移，所以设计、安装时要特别注意 不要妨碍管道其他方向的位移，否则将会造成非常不利的后果。 3.4 汽轮机管道柔性设计时对其他支架的要求
汽轮机进口前的水平管道存在向下位移，因此此段管道的的 支撑管道重量的支吊架应为弹簧支吊架，而且其与汽轮机管道的 水平距离不能太长，否则立管会存在下坠或偏斜倾向，会在管道 安装检查时出现机器法兰与管道法兰不平行与不对中的情况，支 架的摩擦力的不利影响不应被忽略，一般情况下摩擦力的存在对 减小管道对汽轮机作用力是不利的，因此建议此处多以吊架为主， 并且吊杆不能太短，应防止管道水平位移后吊杆拉力倾斜而产生 较大的水平推力。
4 结束语
通过上述分析计算，从 C AE S A R II 输出文件中得到各个工况 下的节点位移、应力，约束载荷等结果，为汽轮机进气管道的管 架设计提供理论依据，此设计方案已成功运用在项目中，为进一 步的优化设计提供了实践经验。
图 4 透平管口的允许外力和和力矩算图[5]
Fig.4 The rating of allowable loads and moments
for turbine no z zl es
3.2 调整管架型式解决问题
一般管道布置工程师都知道汽轮机的典型配管，但是按照标 准配管，只是完成汽轮机的进口管道布置
的第一步，更重要的是 在于合理的设计支架：弹簧支架，限位支架，固定支架，此例主 要侧重于支架的合理使用。
通过 4.1 的初步计算分析得知，在汽轮机位移零点即节点 90 和 120 点分别设置合理的限位架(如图 5)即可有效的降低汽轮机管 口的力和力矩。
参考文献
[1]于浦义，张德江，唐永进．石油化工压力管道设计手册[M ]．北京：化 学工业出版社，2006． [2]唐永进．压力管道应力分析[M]．北京：中国石化出版社，2003． [3]ASME Code f or Pressure Pip in g ，B31．3，Pro c ess Piping ．
[4]NE M A S M 23-1991(R1997，R2002)，Ste am Turbines for Mechanical Drive Service ．
[5]中国石化集团上海工程有限公司化工工艺设计手册(第三版)(下册)[M] 化学工业出版社，2003．
图 5 设置限位架后的管道布置 Fig.5 Piping arrangement with limit stops
(本文文献格式：席佳．汽轮机进口管道应力分析[J ]．广东化工， 2012，39(5)：188-189)
如此设置管架之后，重新进行应力分析计算，将得出载荷与 之前的结果对比如图 6。
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