除氧箱的設(shè)計(jì)應(yīng)用

賈 蕓 童金生

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七O三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151）

1 概述

汽輪給水泵機(jī)組在船上實(shí)際運(yùn)行時，凝水泵從主機(jī)冷凝器吸水排至除氧器，增壓泵自除氧器吸水一次增壓后排入給水泵，經(jīng)給水泵二次增壓后排至增壓鍋爐，為鍋爐提供除氧水。在汽輪給水泵機(jī)組陸上試驗(yàn)中除氧箱模擬實(shí)船上增壓鍋爐和除氧器，通過箱體的設(shè)計(jì)和有效布置解決了箱體容積、灌注頭、真空度難以兼顧的問題，使機(jī)組在各種工況下安全、可靠地運(yùn)行。

除氧箱

除氧箱的基本原理

除氧箱模擬實(shí)船中的除氧器和增壓鍋爐，增壓泵自除氧箱吸水，增壓泵出水通過機(jī)組自帶的連通管排入給水泵進(jìn)口，再通過給水泵排至除氧箱。

除氧箱的設(shè)計(jì)計(jì)算

在此次試驗(yàn)中，要求增壓泵進(jìn)口灌注高度大于3米，受廠房條件的限制，兩只除氧箱為立式布置。每只除氧箱的有效容積為20m3，除氧箱殼體內(nèi)徑φ2.4m，高度5.6m，筒體壁厚12㎜（見圖2 除氧箱外形結(jié)構(gòu)圖）。并對箱體進(jìn)行了應(yīng)力校核計(jì)算，保證了箱體的使用安全。

圖2 除氧箱外形結(jié)構(gòu)圖

表1 鋼材厚度負(fù)偏差 mm

除氧箱內(nèi)部設(shè)有擋流板，水泵回水從除氧箱上部進(jìn)入時，由于擋流板的作用減小了回水對除氧箱中水流的擾動，使除氧箱水位保持恒定（即水泵進(jìn)口壓力穩(wěn)定），有利于試驗(yàn)的正常進(jìn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，除氧箱上部設(shè)有噴嘴加熱器裝置。除氧箱頂部設(shè)有全啟式安全閥，安全閥整定壓力為0.026 MPa；底部設(shè)有排污閥，在筒體側(cè)面設(shè)有兩個檢修人孔。

以下是除氧箱的設(shè)計(jì)計(jì)算過程：

1）除氧箱設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)壓力：0.095MPa；工作壓力：0.02MPa；設(shè)計(jì)溫度：300℃；工作溫度：104℃；有效容積：20m3；焊縫系數(shù)：0.7；腐蝕裕度：2mm；工作介質(zhì)：水、水蒸汽；加熱蒸汽壓力：≤1.6MPa；加熱蒸汽溫度：≤300℃；進(jìn)水溫度：20℃。

2）除氧箱制造選材原則

除氧箱殼體：Q235A；除氧箱端蓋：Q235A，橢圓成形封頭；蒸汽加熱管：20G；蒸汽加熱噴嘴：20；結(jié)構(gòu)用鋼：Q235A。

3）除氧箱殼體壁厚計(jì)算

除氧箱底部液注高度由圖2可知為4090㎜（橢圓成形封頭高度為640㎜）

底部液注壓力：

式中 p——設(shè)計(jì)壓力，MPa。

由于除氧箱底部液注壓力大于設(shè)計(jì)壓力的5%，因此計(jì)算壓力：

pc＝ p + p液＝0.095+0.04＝0.135 MPa

a. 圓筒厚度計(jì)算

因?yàn)?pc＜0.4[σ]tφ＝0.4×86×0.7＝24 MPa

式中 φ——焊縫系數(shù)；

[σ]t——材料的在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa，[σ]t=86MPa。

所以圓筒壁厚：

式中 Di——圓筒內(nèi)徑，mm；

對于碳鋼和低合金鋼容器，當(dāng)Di≤3800㎜時，其最小壁厚δmin≥2Di/1000且不小于4㎜，腐蝕裕量另加。

因 此， 圓 筒 厚 度：δ=δmin+ C2=4.8+2=6.8mm

式中 C2——腐蝕裕量，mm，取C2＝2㎜。

經(jīng)圓整取圓筒名義厚度δn=12mm，則有效厚度： δe=δn-C =12-2.8=9.2mm

厚 度 附 加 量： C=C1+C2 =0.8+2=2.8mm

式中 C1——鋼材厚度負(fù)偏差，mm，見表1

b. 圓筒強(qiáng)度校核計(jì)算

（1）圓筒工作應(yīng)力校核：

（2）圓筒最大允許工作壓力校核：

因此，經(jīng)計(jì)算校核圓筒工作應(yīng)力和最大允許工作壓力均符合要求。

c. 水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核計(jì)算

水壓試驗(yàn)壓力PT′應(yīng)為：

式中 PT——按表2規(guī)定的試驗(yàn)壓力，MPa；

［σ］——試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa。150℃以下，其［σ］＝113 MPa；

表2 試驗(yàn)壓力 MPa

由表2可知，對除氧箱而言，PT≮0.095+0.098＝0.193 MPa

即 PT ′ ≮ 0.193×113/86＝0.254MPa

從安全角度出發(fā)，取PT′＝0.5MPa水壓試驗(yàn)前，應(yīng)按下式校核圓筒應(yīng)力

式中 σT——試驗(yàn)壓力下的圓筒應(yīng)力，MPa；

σs（σ0.2）——圓筒材料在試驗(yàn)溫度下的屈服點(diǎn)（或0.2%屈服強(qiáng)度），MPa。常溫下，Q235A的屈服強(qiáng)度σs＝235 MPa。由計(jì)算可知，當(dāng)以0.5 MPa壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)時，圓筒應(yīng)力符合要求。

結(jié)語

此除氧箱經(jīng)歷了數(shù)臺套汽輪給水泵機(jī)組的陸上試驗(yàn)的驗(yàn)證，更甚者經(jīng)受了長時間連續(xù)運(yùn)行的考驗(yàn)，運(yùn)行過程中未出現(xiàn)問題，體現(xiàn)了它的安全性、可靠性和合理性。該試驗(yàn)臺填補(bǔ)了國內(nèi)空白，研制技術(shù)水平達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先，為我國進(jìn)行大型綜合性汽輪輔機(jī)陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺的研制工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]董大勤，袁鳳隱，壓力容器設(shè)計(jì)手冊，化學(xué)工業(yè)出版社，2006

[2]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會 ，壓力容器（Pressure vessels）（GB 150-2011），中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.