高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)主蒸汽管道的應(yīng)力分析

孫煥青，袁本旺，王兵槐

(航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州　730010)

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高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)主蒸汽管道的應(yīng)力分析

孫煥青，袁本旺，王兵槐

(航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州730010)

摘要：介紹了大型合成氨尿素項(xiàng)目中高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)主蒸汽管道的特點(diǎn)，為了保證高溫高壓管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行及此類汽輪機(jī)的順利開(kāi)車(chē)，采用CASER II應(yīng)力分析軟件，對(duì)此類汽輪機(jī)的高溫高壓管道的配管進(jìn)行了應(yīng)力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)合理設(shè)置支吊架以及增加管系柔性，使汽輪機(jī)管口受力、管系的應(yīng)力及位移滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，并對(duì)彈簧的選型進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；高溫高壓；彈簧

化工廠大型合成氨尿素項(xiàng)目中的汽輪機(jī)主蒸汽管道大都為高溫、高壓管道，其性能狀況直接影響裝置的順利開(kāi)車(chē)和安全運(yùn)行，此類管道的應(yīng)力分析也顯得越來(lái)越重要[1]。因此，需將管道的設(shè)計(jì)與計(jì)算向國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平靠攏，特別是此類管道的設(shè)計(jì)，更應(yīng)以應(yīng)力分析計(jì)算為依據(jù)[2]。管道應(yīng)力分析也日漸受到投資方和設(shè)計(jì)單位的重視，在一些國(guó)家重點(diǎn)工程和外商投資項(xiàng)目中，明確要求設(shè)計(jì)單位提供管道應(yīng)力分析計(jì)算書(shū)[3]。管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要研究管道在各種荷載作用下產(chǎn)生的力、力矩和應(yīng)力，對(duì)管道的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，使設(shè)計(jì)的管道盡可能經(jīng)濟(jì)合理[4]。

目前，煤化工項(xiàng)目汽輪機(jī)主蒸汽管道一般為中高壓管道。根據(jù)GB50316—2000(2008版)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 20801[1]—2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》第3部分設(shè)計(jì)和計(jì)算中管道應(yīng)力分析的要求，該類管道必須進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析計(jì)算。

筆者結(jié)合某大型合成氨尿素項(xiàng)目施工圖中高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)主蒸汽管道的配管設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析計(jì)算，探討了此類汽輪機(jī)主蒸汽管道的配管設(shè)計(jì)、支吊架的合理選擇以及彈簧的選型，對(duì)此類汽輪機(jī)管道的配管設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)主蒸汽管道的設(shè)計(jì)

1.1主蒸汽管道的特點(diǎn)

汽輪機(jī)管口受力要求較為嚴(yán)格，汽輪機(jī)管道的柔性設(shè)計(jì)是管道應(yīng)力分析中較為困難的問(wèn)題。

高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)入口蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度較高，管道的設(shè)計(jì)壓力較大，管道材料大都為15CrMo，壁厚相對(duì)較厚，其剛度大，柔性差。

1.2主蒸汽管道的設(shè)計(jì)思路

高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)主蒸汽管道管徑與壁厚大造成了管道剛度相對(duì)較大，同時(shí)由于高溫產(chǎn)生的熱脹力對(duì)汽輪機(jī)管口產(chǎn)生較大的作用力，而且，汽輪機(jī)管口的受力要求苛刻，因此，在管道設(shè)計(jì)時(shí)需考慮管道的柔性。管道柔性反映了管道變形的難易程度，表現(xiàn)了管道通過(guò)自身變形吸收熱脹、冷縮和其他位移變形的能力[4]。

管道設(shè)計(jì)中，增加管道柔性的方法主要有：改變管道走向、選用補(bǔ)償器和彈簧支吊架[5]。一般來(lái)講，在條件允許的情況下，應(yīng)首先考慮采用改變管道走向和選用彈簧支吊架的方法來(lái)增加管道柔性，當(dāng)兩固定點(diǎn)位置一定時(shí)，增加管道長(zhǎng)度可以增加管道柔性；管道在某一方向過(guò)于剛硬時(shí)，增加與其垂直方向的管道長(zhǎng)度可減小管道剛度[6]。彈性支吊架分可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架兩大類，合理利用彈性支吊架，可以在不改變管線走向的前提下增加管道的補(bǔ)償能力，在熱力管網(wǎng)布置中應(yīng)優(yōu)先考慮[7]。此外，在管道的適當(dāng)位置設(shè)置剛性支吊架和限位支架，以限定管道在某些方向的位移，從而改變整個(gè)管系的力和力矩的分布，使管道對(duì)設(shè)備管口的推力和力矩降低下來(lái)，雖然這樣設(shè)計(jì)會(huì)使管道的熱脹應(yīng)力有所增加，但只要限定在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，仍然是經(jīng)濟(jì)合理的[8]。

由于汽輪機(jī)入口蒸汽管道的操作壓力較高，不宜使用波紋膨脹節(jié)等補(bǔ)償器，宜采用自然補(bǔ)償和選用彈簧支吊架來(lái)增加管道的柔性。汽輪機(jī)入口蒸汽管道多采用鉻鉬鋼材質(zhì)，管材的價(jià)格相對(duì)較高，若僅靠改變管道走向增加管道柔性來(lái)降低管道對(duì)設(shè)備管口的作用力，不但增加管件數(shù)量和管道長(zhǎng)度，增加投資費(fèi)用，而且容易造成管系振動(dòng)。因此，我們?cè)谠黾庸艿廊嵝詴r(shí)，通常結(jié)合改變管道走向和合理設(shè)置彈簧支吊架來(lái)改變整個(gè)管系的力和力矩的分布，從而使管道對(duì)汽輪機(jī)管口的作用力和力矩達(dá)到NEMA SM23和汽輪機(jī)廠家的要求。

進(jìn)行汽輪機(jī)管道柔性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題[6]：①計(jì)算時(shí)必須考慮機(jī)器管口的熱態(tài)位移，并應(yīng)考慮最不利的工況；②對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行受力驗(yàn)算分析時(shí)，應(yīng)該包括進(jìn)出口和抽氣口；汽封管道可不作詳細(xì)應(yīng)力分析，但應(yīng)保證具有足夠柔性；③計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮機(jī)器管口處管道法蘭的質(zhì)量；④汽輪機(jī)管口附近的幾組支吊架一般應(yīng)采用彈簧支吊架，以減小垂直管道的熱膨脹引起的管口熱態(tài)作用力，同時(shí)減小摩擦力的影響；⑤由于機(jī)器各管口受力的整體校核往往最難通過(guò)，因此，計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮各管口的受力，使不同管口處的作用力能夠相互抵消；⑥宜在管道與機(jī)器固定點(diǎn)處坐標(biāo)軸的交點(diǎn)位置附近設(shè)置限位支架，從而使機(jī)器管口的熱膨脹與管道熱膨脹基本相當(dāng)，減小管道對(duì)機(jī)器管口的作用力。

2管系的計(jì)算模型與結(jié)果分析

在筆者承擔(dān)的某合成氨尿素項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)中，汽輪機(jī)入口管道的介質(zhì)為中壓蒸汽，操作溫度為385 ℃，設(shè)計(jì)溫度為435 ℃，操作壓力為3.6 MPa(g)，設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa(g)，管道規(guī)格為DN250，壁厚15 mm，腐蝕裕度為1.5 mm，管道材質(zhì)為15CrMo，保溫容重200 kg/m3。 汽輪機(jī)型式為高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)，有2個(gè)主蒸汽入口，管口位移由廠家提供。

2.1力學(xué)模型的處理

閥門(mén)、法蘭在CAESAR II程序中用剛性體來(lái)代替，并應(yīng)輸入相應(yīng)的質(zhì)量。以往應(yīng)力計(jì)算時(shí)，設(shè)備的進(jìn)出管口均認(rèn)為是固定的[2]，這樣計(jì)算出來(lái)的結(jié)果是不可靠的，應(yīng)將管口的位移計(jì)算出來(lái)。對(duì)于含有裙座的設(shè)備，裙座的位移可參考文獻(xiàn)[6]計(jì)算。對(duì)于該例，我們計(jì)算的與管道相連設(shè)備管口的初始位移數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　設(shè)計(jì)工況下汽輪機(jī)管口初始位移

2.2計(jì)算結(jié)果及分析

應(yīng)力模型考慮了4種工況，即操作工況、設(shè)計(jì)工況(見(jiàn)圖1)、安全閥泄放工況、蒸汽吹掃工況。其中，數(shù)字100、500、650、800、900、1 000、1 050、1 300、1 350、1 400、1 500、1 700、1 900、2 050、2 250、2 400、2 600、3 300、3 400、3 500、3 650、4 250為模型中的節(jié)點(diǎn)號(hào)，節(jié)點(diǎn)2 050和節(jié)點(diǎn)2 400分別代表汽輪機(jī)的蒸汽入口，節(jié)點(diǎn)100代表帶有四向限位的剛性支架，節(jié)點(diǎn)500、1 350、1 400代表帶有二向限位的剛性支架，節(jié)點(diǎn)650、1 500、1 900、2 250、3 300、3 400、3 650代表彈簧架，其它節(jié)點(diǎn)代表剛性支架，X代表正東方向，Y代表豎直向上，Z代表正南向。

圖1　設(shè)計(jì)工況應(yīng)力計(jì)算模型

汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，因傳動(dòng)軸不對(duì)中引起的微小振動(dòng)也可能影響汽輪機(jī)的正常運(yùn)行，所以汽輪機(jī)的受力限制非常嚴(yán)格。在汽輪機(jī)制造廠未提出允許受力限制時(shí)，一般參照美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NEMA SM23對(duì)機(jī)器受力加以限制，NEMA SM23中的坐標(biāo)系約定是：機(jī)軸方向?yàn)閄軸方向，垂直向上方向?yàn)?Y[6]。

(1) 作用任何一管口上的合力及合力矩應(yīng)滿足以下要求：

0.914 4FR+MR≤26.289De

(1)

式中，De為當(dāng)量直徑，mm；FR為單個(gè)管口的合力，N；MR為單個(gè)管口的合力矩，N·m。

(2) 進(jìn)汽口、抽汽口和排汽口上的力和力矩合成到排汽口中心線處的合力及合力矩應(yīng)滿足以下條件。

合力及合力矩應(yīng)滿足以下條件：

0.609 6FC+MC≤13.345DC

(2)

式中，F(xiàn)C，MC分別為進(jìn)汽口、抽汽口和排汽口上的合力和合力矩合，單位分別為N，N·m；DC為按公稱直徑計(jì)算得到的各管口面積之和的當(dāng)量直徑，mm。

FC，MC在X、Y、Z3個(gè)方向的分力以及分力矩應(yīng)滿足以下條件：

∣FCX∣≤8.756DC∣MCX∣≤13.345DC

(3)

∣FCY∣≤21.891DC∣MCY∣≤6.672DC

(4)

∣FCZ∣≤17.513DC∣MCZ∣≤6.672DC

(5)

式中：FCX，F(xiàn)CY，F(xiàn)CZ為FC在X、Y、Z3個(gè)方向的分力，N；MCX，MCY，MCZ為MC在X、Y、Z3個(gè)方向的分力矩，N·m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　應(yīng)力計(jì)算模型計(jì)算出各工況下汽輪機(jī)管口的力和力矩

管道應(yīng)力計(jì)算主要是計(jì)算管道在內(nèi)壓、持續(xù)載荷作用下和由熱脹冷縮以及其他位移受到約束后所產(chǎn)生的應(yīng)力[5]。在管口受力滿足要求后，我們還要查看管道上各點(diǎn)的一次應(yīng)力值是否小于許用應(yīng)力值，冷態(tài)下管道上各點(diǎn)的位移量能否滿足管道安裝的要求。然后再查看管道上各點(diǎn)的二次應(yīng)力值是否在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，管道的最大位移量應(yīng)能滿足管道布置的要求。最后，查看各支吊架的受力是否合理，為土建結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

(1)一次應(yīng)力的評(píng)價(jià)。改進(jìn)后的配管管系中計(jì)算出的最大一次應(yīng)力為σI=40 915.83 kPa，ANSIB31.3標(biāo)準(zhǔn)中材料的許用應(yīng)力為[σ]h=102 387.10 kPa。即：

σI=39.96%[σ]h<[σ]h

(6)

管系的一次應(yīng)力符合要求。

(2) 冷態(tài)下管道的最大垂直位移量為-1.500 9 mm，滿足管道安裝的要求。

(3)二次應(yīng)力的評(píng)價(jià)。改進(jìn)后的配管管系中計(jì)算出的最大二次應(yīng)力為σⅡ=61 905.88 kPa，ANSIB31.3標(biāo)準(zhǔn)中材料的許用應(yīng)力幅度σa=282 144.70 kPa。即：

σⅡ=21.94%[σ]a<[σ]a

(7)

管系的二次應(yīng)力符合要求。

3彈簧的選擇

汽輪機(jī)管口許用載荷的要求比較苛刻，在設(shè)置支吊架的過(guò)程中，我們通常要在管口附近設(shè)置一些彈簧支吊架，彈簧支吊架在承受一定載荷的情況下又能允許管系有一定的垂直位移[9]，以增加管道的變形協(xié)調(diào)能力，從而降低設(shè)備管口的受力，也起到了減小二次應(yīng)力的作用。當(dāng)然，彈簧支吊架選擇的個(gè)數(shù)對(duì)管系的影響也較大；選擇多了，容易造成震動(dòng)，導(dǎo)致管系不穩(wěn)定[10]；選擇少了，對(duì)于管口的受力、管系的二次應(yīng)力又有很大的影響。所以，我們必須通過(guò)程序進(jìn)行優(yōu)化，選擇合適的彈簧及其個(gè)數(shù)。

彈簧選擇完后，對(duì)于可變彈簧還要以其載荷變化率進(jìn)行驗(yàn)證，判斷選擇的彈簧是否可用。驗(yàn)證公式如下：

(PO-PS)/PO×100%<25%

(8)

式中，PO為工作載荷，PS為安裝載荷。

根據(jù)NB/T47039-2013《可變彈簧支吊架》，管系中的彈簧選型見(jiàn)表3。

表3　彈簧選型

由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，所選擇彈簧的載荷變化率均小于25%，故所選彈簧型號(hào)正確，可用。

4結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)主蒸汽管道的合理布置對(duì)于裝置的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，管道應(yīng)力分析是保證管道安全運(yùn)行的一種重要方法。通過(guò)分析、調(diào)整管道走向和合理設(shè)置支吊架使之滿足各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，并且得到了較為優(yōu)化的配管設(shè)計(jì)。

根據(jù)規(guī)范SH3501—2011《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中6.2.8條款中的要求，與汽輪機(jī)相連的管線要求做到無(wú)應(yīng)力配管，以保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。與汽輪機(jī)相連的管道，在其支吊架安裝完畢后，應(yīng)卸下接管上的法蘭螺柱，在自由狀態(tài)下檢查螺栓能否在螺栓孔中自由通過(guò)，檢查法蘭密封面間的平行偏差、徑向偏差及間距是否符合規(guī)定值；若螺栓不能自由通過(guò)螺栓孔，則表明與汽輪機(jī)相連的管道沒(méi)有做到無(wú)應(yīng)力配管的要求。在配對(duì)法蘭緊固到汽輪機(jī)管口法蘭上后，再與管道組合件及管件進(jìn)行點(diǎn)焊，要求點(diǎn)焊牢固，以防止焊接過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力變形，同時(shí)調(diào)整節(jié)點(diǎn)1 500、1 900和2 250處的彈簧支架，這樣既可以有效地調(diào)整接口法蘭的平行偏差、徑向偏差及間距超標(biāo)問(wèn)題，又控制了管道對(duì)設(shè)備的應(yīng)力，滿足汽輪機(jī)管口處的冷態(tài)無(wú)應(yīng)力連接要求。

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Stress Analysis of the Main Steam Pipeline of High Pressure Condensing Steam Turbine

SUN Huan-qing, YUAN Ben-wang, WANG Bing-huai

(ChangzhengEngineeringCo.,Ltd.,LanzhouBranch,LanzhouGansu730010China)

Abstract：The features of the main steam pipelines for high pressure condensing steam turbines in large-scale ammonia and urea projects are briefly introduced. In order to ensure the smooth start-up of steam turbine and the safe and stable operation of high temperature and pressure pipelines，these pipelines are designed and optimized by software CAESAR II. It is recommended that setting up sliding and spring hangers and supports properly and increasing the piping flexibility can assure the stress on turbine nozzles and stresses and displacements of all the piping systems consistent with the standards. It also introduces the selection criteria for spring design work.

Keywords：stress analysis; optimization design; high temperature and pressure; spring

收稿日期：2015-06-21

作者簡(jiǎn)介：孫煥青(1985年-)，男，山東諸城人，2010年畢業(yè)于蘭州大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事應(yīng)力分析等工作。

中圖分類號(hào)：TK 261

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-8901(2016)01-0025-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.006 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.006