空分項(xiàng)目中主蒸汽管道設(shè)計分析

袁楊楊 沈杰

摘 要：汽輪機(jī)是現(xiàn)階段大部分大型及超大型空分項(xiàng)目使用最多的設(shè)備。在使用汽輪機(jī)的過程中，若想保證汽輪機(jī)能夠安全有效的運(yùn)行，必須對其主蒸汽管道進(jìn)行合理的設(shè)計?；诖耍疚囊阅晨辗猪?xiàng)目為例，分析該項(xiàng)目中主蒸汽管道的設(shè)計，期望對相關(guān)人員有所啟示。

關(guān)鍵詞：空分項(xiàng)目;汽輪機(jī);主蒸汽管道;應(yīng)力分析

引言：空分項(xiàng)目的主蒸汽管道在其正常工作時，管道處于高溫、高壓的狀態(tài)，這就導(dǎo)致管道極易受到蒸汽的影響出現(xiàn)破損的現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行對汽輪機(jī)主蒸汽管道設(shè)計時，需要考慮汽輪機(jī)運(yùn)行時所處的高壓、高溫的工作狀態(tài)，以降低管口應(yīng)力及保證管道布局合理為主要目標(biāo)，才能夠促使主蒸汽管道能夠滿足汽輪機(jī)的使用需求。

1 工程概況

為了更好的分析空分項(xiàng)目主蒸汽管道的設(shè)計，本文以某空分項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目的規(guī)模為84000Nm?/h（O2），采用西門子的汽輪機(jī)，筆者對該項(xiàng)目實(shí)地考察并收集相關(guān)數(shù)據(jù)作，本項(xiàng)目汽輪機(jī)主蒸汽管道的壓力為5.05Mpa，設(shè)計溫度為410℃，蒸汽流量為228t/h。

2 空分項(xiàng)目中主蒸汽管道設(shè)計分析

2.1設(shè)計要求分析

汽輪機(jī)在正常運(yùn)行時所使用的蒸汽具有高溫、高壓的特點(diǎn)，這將會給汽輪機(jī)的主蒸汽管道帶來較大二次應(yīng)力，因此，需對汽輪機(jī)主蒸汽管道進(jìn)行合理設(shè)計，保證主蒸汽管道的使用安全。

在進(jìn)行空分項(xiàng)目中主蒸汽管道的設(shè)計時需要考慮諸多因素，通常情況下，汽輪機(jī)對主蒸汽管道的要求主要包括兩點(diǎn)，一是需要主蒸汽管口的推力較小，二是需要主蒸汽管口的力矩較小。因此，在主蒸汽管道設(shè)計時，需要根據(jù)汽輪機(jī)的需求，對主蒸汽管道的應(yīng)力精準(zhǔn)計算，并對汽輪機(jī)主蒸汽管口推力進(jìn)行分析。且通常情況下，需要設(shè)計出多種主蒸汽管道的設(shè)計方案，并在其中選擇既經(jīng)濟(jì)實(shí)用、又符合汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行需求的主蒸汽管道設(shè)計，隨后利用相關(guān)軟件進(jìn)行管口推力、力矩的校驗(yàn)，對主蒸汽管道的設(shè)計圖進(jìn)行優(yōu)化，從而促使主蒸汽管道管口的推力和力矩能夠幫助主蒸汽管道真正的發(fā)揮其功能與價值[1]。

2.2空分項(xiàng)目主蒸汽的管道設(shè)計

在該項(xiàng)目主蒸汽管道設(shè)計的過程中，為了更好的對汽輪機(jī)管口的受力情況進(jìn)行校驗(yàn)，該項(xiàng)目的主蒸汽管道設(shè)計人將管口受力返還給汽輪機(jī)設(shè)計人員進(jìn)行校驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計要求，主蒸汽管道的設(shè)計人需要先利用NEMASM23中的相關(guān)公式對汽輪機(jī)主蒸汽管道管口的應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，隨后汽輪機(jī)廠家的設(shè)計人員利用CAESRA Ⅱ軟件對汽輪機(jī)主蒸汽管道的管口受應(yīng)力情況進(jìn)行計算，得到管口的應(yīng)力數(shù)據(jù)，并以此為參考依據(jù)，對管口的布置情況進(jìn)行合理的設(shè)計[2]。隨后，設(shè)計人員對汽輪機(jī)主蒸汽的管道進(jìn)行合理的設(shè)計。該項(xiàng)目汽輪機(jī)管口為雙管口，在設(shè)計的過程中需注意管口處管道對稱布置，若連接管口處的管道不對稱，則會導(dǎo)致兩個管道內(nèi)蒸汽氣流不同，進(jìn)而會導(dǎo)致管道的受力不均勻，管道所承受的壓力不均勻，而當(dāng)主蒸汽管道受力不均勻時，則會引起偏流，使兩個管口管道的連接處受到損壞。因此，在該項(xiàng)目主蒸汽管道的設(shè)計人員在設(shè)計時，考慮了需要保證兩管口的應(yīng)力均勻情況，通過對主蒸汽管口的推力及力矩校驗(yàn)后，對主蒸汽管道的布置情況進(jìn)行了多種設(shè)計，并通過對比分析后，確定了最優(yōu)的設(shè)計方案，具體設(shè)計方案如下圖所示。

其中，550點(diǎn)為主蒸汽管道室內(nèi)與室外的連接點(diǎn)。為了減小550處管道的受力影響，將550處的管道設(shè)計為X、Y、Z方向限位。由于840處為兩管口管道的連接處，為了減小840處的受力情況，需將840處的管道設(shè)計為X方向限位。此外，為了滿足主蒸汽管道的實(shí)際使用需求，需要將785處設(shè)為Y、Z方向限位、690處設(shè)為X、-Y、Z方向限位、640處為X、-Y方向限位，745處設(shè)為Z方向限位。通過對該設(shè)計方案的管口處應(yīng)力計算后發(fā)現(xiàn)，管口處的推力及力矩均能夠滿足汽輪機(jī)的使用要求，且管口處管道布置均勻，不易產(chǎn)生偏流的情況，使用安全性較高。

該設(shè)計方案雖然通過了應(yīng)力計算的校驗(yàn)，從設(shè)計方案基本要求上來看并無不妥，但該項(xiàng)目汽輪機(jī)負(fù)責(zé)人發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計方案方向限位較多，若使用該方案則需要在主蒸汽管道的建設(shè)過程中使用大量的限位支架，才能夠保證管道能夠符合設(shè)計要求。然而汽輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，蒸汽將會對管道產(chǎn)生較大的推力，而管道所受的推力也必然會給限位支架產(chǎn)生較大的推力，長久以往，則會導(dǎo)致限位支架失衡。若限位支架失衡，則會導(dǎo)致管道成為了蒸汽推力的主要承受對象，限位支架無法為管道分擔(dān)受力，這樣會導(dǎo)致管道極易受到損壞，極易引發(fā)管口連接處漏氣、汽輪機(jī)傾斜等事故，導(dǎo)致該項(xiàng)目汽輪機(jī)無法正常運(yùn)行。因此，需要設(shè)計人員對該方案進(jìn)一步優(yōu)化。

為了減少限位支架的使用量，需對管道的限位情況進(jìn)行重新設(shè)計，因此，結(jié)合實(shí)際汽輪機(jī)的要求，設(shè)計人員在不影響管道使用效果的前提下，在將640處設(shè)計為-Y方向限位，將690處設(shè)計為-Y、Z方向限，將785處設(shè)計為Z方向限位，并取消了745處的方向限位支架。該方案相比于初始方案而言，減少了4處支架的使用量。通過對管口應(yīng)力情況的計算后發(fā)現(xiàn)，管口的應(yīng)力仍然能夠滿足汽輪機(jī)管道的使用要求，下圖為優(yōu)化后的汽輪機(jī)主蒸汽管道設(shè)計方案。

結(jié)論：綜上所述，在主蒸汽管道設(shè)計的過程中，首先需要對管口處的受應(yīng)力情況進(jìn)行分析與驗(yàn)算，從而促使管口處的推力、力矩能夠滿足管道的實(shí)際運(yùn)行要求，確保了管道的使用安全性。其次，在管道應(yīng)力通過校驗(yàn)后，需要對管道的布置進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，對于雙管口的主蒸汽管道而言，需要保證管口處管道的布置均勻，同時需要在不影響管道正常使用的前提下，盡量減少限位支架的使用，從而才能夠避免主蒸汽管道出現(xiàn)破損的情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明超; 郭東升.直埋蒸汽管道的設(shè)計要點(diǎn)分析[J].區(qū)域供熱，2020，12（15）：143-145.

[2]亓峰; 王永鋒.空分裝置高壓蒸汽管道在設(shè)計中的常見問題分析及改進(jìn)措施[J].肥料與健康，2020，06（28）：96-98.

（1.浙江省天正設(shè)計工程有限公司;2.杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江杭州 310012）