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【摘 要】以某工程的燃气轮机冷却空气管道为例，使用Autopipe应力分析软件对管道静态荷载及地震荷载进行计算。通过对同一套管道模型加载不同地震荷载，对比分析地震荷载对管道应力集中点的影响。通过选用阻尼器，最大限度的降低地震工况对管道的破坏，根据分析结论选择合理的阻尼器，进一步优化管道设计。

【关键词】地震载荷 应力分析 阻尼器 Autopipe

燃气轮机冷却空气取自于压气机末级排气，该部分空气经过外部冷却后，返回燃气轮机本体，对高温部件进行冷却。冷却空气参数较高，管道设计压力达到2.2MPaG，冷却器前管道设计温度达到505℃，冷却器后的管道设计温度达到350℃。而且冷却空气管道布置空间很受限制，运行中管道易受到集中应力的作用发生失效。

1 管道载荷的主要类型

根据荷载作用的性质，可以分为静力荷载和动力荷载。静力荷载是缓慢的、毫无振动的加载管道上的荷载，它的大小和位置与时间无关，或者是极为缓慢的变化，而可略去惯性力的影响，不使管道产生显著运动。动力荷载是指随时间有迅速变化的荷载，使管道产生显著的运动，而且必须考虑惯性力的影响，例如管道的振动，管内水冲击，阀门突然关闭时的压力冲击，安全阀排汽时的冲击以及地震等[1]。

2 管道校核标准

在 Bentley AutoPIPE 软件中，电厂管道选择的应力校核标准为美国ASME B31.1 动力管道标准。根据标准要求，剪切许用应力值不应大于规则所确定的应力值的80%。挤压许用应力值不应大于此应力值的160%[2]。校核分为一次、二次及峰值应力校核。

管道一次应力由内压、自重引起，要求不得超过设计温度下管材的许用应力，即S L ≤ Sh（其中，Sh为管材的许用应力，N/mm^2 ；SL 为由压力引起的纵向应力与重力、风荷载等外载在管道中产生的纵向弯曲应力之和，N/mm^2）。

管道二次应力由纯热态应力引起，要求不得超过许用应力范围，即SE ≤ SA=f *（1.25Sc+0.25Sh）（其中，SE 为许用应力范围，N/mm^2 ；SA 为管材在20℃时的许用应力，N/mm^2，Sc为管材在冷态工况下的许用应力，N/mm^2；Sh为管材在热态工况下的许用应力，N/mm^2； f为预期寿命内，考虑循环总次数影响的许用应力范围减少系数）。

在运行期间，由内压、活荷载和固定荷载以及偶然荷载，例如临时支承件的额外重量，产生的纵向应力的总和可以超过许用应力表给定的许用应力值[2]。应满足SL+SB ≤ kSh（其中，SB为偶然荷载的总和；N/mm^2，对于在任一时期内作用时间不大于1h和每年不大于80h的临时荷载，K=1.2）。

3 实例分析

3.1 静力分析

已知管道设计压力2.2MPaG，冷却器前管道设计温度505℃，冷却器后管道设计温度350℃，输入各管段保温厚度、材质以及端点初始位移，建立的管道模型见图1。经静力分析，管道各节点的一次应力、二次应力均满足要求，数据如下（表1）。

3.2 加载地震荷载 （0.1g）

对上述管道的布置方式及支撑类型不作修改，在管道模型中加载0.1g地震荷载，经受力分析，管道各节点的一次应力、二次应力、峰值应力均满足要求，数据如下（表2）。

3.3加载地震荷载 （0.2g）

对上述管道的布置方式及支撑类型不作修改，在管道模型中加载0.2g地震荷载，经受力分析，管道各节点的一次应力、二次应力均满足要求。但由地震荷载而产生的峰值应力超出允许值1.34倍，应力分析结果不合格，数据如下（表3）。

3.4 修改管道模型

对管道系统加载0.2g地震荷载后，管道峰值应力超出允许范围，应力分析结果不合格。经分析，导致这种情况的主要原因是冷段管道上设置了1套重达5000kg的冷却空气过滤器，该设备设置了非固定式结构支撑，在地震荷载的作用下，Z方向产生较大的瞬态荷载。

为降低地震荷载对管路系统的影响，在冷却空气过滤器支撑位置增加1处Z方向（空气过滤器轴向方向）的液压阻尼器。液压阻尼器是一种对速度反应灵敏的振动控制装置，主要适用于核电厂、火电厂等的管道及设备的抗振动，常用于控制冲击性的流体振动和地震激扰的管路振动。

修改后的管道模型见图2. 经受力分析，管道各节点的一次应力、二次应力、峰值应力均满足要求。在0.2g地震荷载下，阻尼器的对冷却空气过滤器产生Z方向约21KN的反力。数据如下（表4）。

4 结语

通过对同一套管道模型加载不同地震荷载，对比分析地震荷载对管道应力集中点的影响。随着地震荷载的增大，与非固定式设备相连的管道由于惯性力的影响，易出现峰值应力不合格的情况。根据Autopipe软件分析结果，在设备处加设合理的阻尼器，能有效减小管道系统的峰值应力，降低地震荷载对管道的破坏。

参考文献：

[1] 王致祥，梁志钊，孙国模，文启鼎.管道应力分析与计算.北京：水利电力出版社，1983.

[2] 美国家标准学会.ASME B31.3-2007 POWER PIPING.

[3] 许强，黄坤，卢泓方 等 AutoPIPE 在天然气增压站中的应用.中国国际管道会议，2013.