蒸汽透平應(yīng)力計(jì)算中容易忽視的幾個(gè)問題探討

康晟峰，孫行之

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

常見的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器主要有汽輪機(jī)、離心式壓縮機(jī)和離心泵，當(dāng)管道受到膨脹或收縮的影響時(shí)，對(duì)其所連接的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器將產(chǎn)生作用力[1]。特別是蒸汽透平，由于運(yùn)行時(shí)溫度高，轉(zhuǎn)速快，為了保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，對(duì)于管口受力有著非常嚴(yán)格的要求。在運(yùn)用CAESAR II 對(duì)蒸汽透平進(jìn)行理論計(jì)算校核時(shí)，一些問題的忽略往往會(huì)導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況不一致，導(dǎo)致設(shè)備及管道在安裝和運(yùn)行過程中遇到問題。本文主要針對(duì)蒸汽透平理論計(jì)算中容易忽略的幾個(gè)問題進(jìn)行闡述和探討。

1 設(shè)備安裝溫度對(duì)應(yīng)力計(jì)算的影響

對(duì)于蒸汽透平，供貨商會(huì)給出管嘴的熱位移（表1）及設(shè)備管嘴的許用外載荷標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)ASME B31.3[2]的規(guī)定，管道反作用力的大小是由管道最高（最低）溫度與安裝溫度之間的代數(shù)差值決定的。表一為寧波鎮(zhèn)海某環(huán)氧乙烷裝置蒸汽透平的管嘴熱位移參數(shù)，其中標(biāo)注出了蒸汽透平在兩種不同安裝溫度下對(duì)應(yīng)的不同熱位移數(shù)值。從表1中可見對(duì)于不同的安裝溫度，管嘴熱位移數(shù)值是有差異的。為了減少敏感設(shè)備的管嘴外力，管嘴熱位移的數(shù)值和方向是支架設(shè)置的重要參考條件之一，這就要求在進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，管道的安裝溫度設(shè)置應(yīng)該與設(shè)備的安裝溫度一致。

表1 某裝置汽輪機(jī)管口熱位移參數(shù)Tab.1 Typical turbine nozzle thermal movement data

以位于沙特的某空分裝置為例，根據(jù)業(yè)主規(guī)范要求，對(duì)于熱管道，管道的安裝溫度應(yīng)該取值環(huán)境最低氣溫0 ℃，然而設(shè)備供貨商給出的管口熱位移數(shù)值和方向的計(jì)算是基于20 ℃的安裝溫度。為了統(tǒng)一安裝溫度，對(duì)業(yè)主規(guī)范所規(guī)定的管道安裝溫度提出了偏離申請(qǐng)，將管道理論計(jì)算的安裝溫度修改為20 ℃，并附加額外安裝條件，當(dāng)管道與設(shè)備相連接時(shí)，環(huán)境溫度應(yīng)該接近20 ℃，不得在極端低溫或高溫的氣候下將管道與設(shè)備進(jìn)行最終連接。在現(xiàn)場(chǎng)施工安裝連接設(shè)備管嘴時(shí)，要求完全符合安裝溫度標(biāo)準(zhǔn)，則限制因素較多，但在API 686[3]章節(jié)4.53中也有相關(guān)規(guī)定，規(guī)范中要求，當(dāng)管道與轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備最終連接時(shí)，環(huán)境溫度與設(shè)備安裝溫度的差值應(yīng)該在10 ℃以內(nèi)。從設(shè)備理論應(yīng)力計(jì)算角度考慮，就是設(shè)備、管道安裝溫度的取值應(yīng)該一致，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工而言，安裝溫度與理論安裝溫度的差值需要控制在10 ℃以內(nèi)。

2 管口無應(yīng)力安裝的要求與理論應(yīng)力計(jì)算校核方法

對(duì)于蒸汽透平，由于操作溫度高，轉(zhuǎn)速較快，對(duì)管口外載荷有著非常嚴(yán)格的要求。為了減少管口載荷，彈簧支架的設(shè)置往往不可避免，在管口無應(yīng)力安裝過程中，對(duì)于柔性支架的處理需要額外注意。在API 686章節(jié)4.54中則明確規(guī)定了在管道無應(yīng)力安裝施工過程中，彈簧的定位銷必須處于安裝鎖定狀態(tài)，不得移除。此時(shí)彈簧支架等同于一個(gè)剛性可調(diào)支架，通過旋轉(zhuǎn)荷重柱調(diào)整彈簧高度達(dá)到調(diào)整管道的目的。

API 686明確規(guī)定了管道管嘴無應(yīng)力安裝的施工要求，為了在理論計(jì)算時(shí)模擬真實(shí)的管嘴無應(yīng)力安裝狀態(tài)，在CAESAR II中，需要將所有的彈簧設(shè)置為剛性支架。在工況編輯器中將冷態(tài)SUS下的彈簧剛度一欄設(shè)置為“剛性”（表2），用以將彈簧支架模擬為剛性支架。

表2 CAESAR II 工況編輯器示例Tab.2 Load case editor for CAESAR II

對(duì)于法蘭平行度的校核，則需要在法蘭節(jié)點(diǎn)處增加法蘭半徑長(zhǎng)度的“剛性件”用以讀出法蘭邊緣在冷態(tài)（SUS）下的位移值，同時(shí)釋放掉管嘴處的約束。對(duì)于法蘭平行度的具體數(shù)值要求，則在API 686及SH3501[4]中都有提及，具體見表3、表4。管嘴對(duì)中度具體校核方法主要是讀取CAESARII 管道模型法蘭面上第10，20，30，40點(diǎn)的冷態(tài)位移數(shù)值，然后根據(jù)表5的要求進(jìn)行校核比對(duì)。

表3 API 686 4.63中自由狀態(tài)下法蘭密封面平行偏差Tab.3 The flange face parallel demand on API 686 4.63

表4 SH 3501 中自由狀態(tài)下法蘭密封面平行偏差、徑向偏差及間距允許值Tab.4 The flange face parallel and radial deviaiton demand on SH 3501

表5 設(shè)備管嘴對(duì)中度校核表Tab.5 Vessle nozzle flange alignment check table

3 無應(yīng)力安裝完成后動(dòng)設(shè)備管口受力問題

在動(dòng)設(shè)備管嘴對(duì)中完成，法蘭螺栓連接完畢，此時(shí)理論上管嘴上的外載荷為零。在裝置運(yùn)行前，彈簧的定位銷需要移除，此時(shí)彈簧產(chǎn)生的反作用力則會(huì)作用于管道，此時(shí)管嘴受力應(yīng)該與理論計(jì)算中冷態(tài)下的載荷相一致。表6為CAEASR II中某環(huán)氧乙烷裝置蒸汽透平超高壓蒸汽進(jìn)口的管嘴受力表，其中工況7 （SUS）為管道在冷態(tài)下的管口載荷，其中包含了彈簧支架在定位銷移除后產(chǎn)生的反作用力的影響。工況9 （EXP） 則為管道因溫度變化熱膨脹引起的反作用力值，兩個(gè)工況載荷代數(shù)和即為設(shè)備運(yùn)行時(shí)管嘴實(shí)際受力，即工況4（OPE）時(shí)的載荷。

表6 典型的蒸汽輪機(jī)管口外載荷工況Tab.6 Tyipical external loads for steam turbine

圖1 CAESAR II 計(jì)算模型法蘭面節(jié)點(diǎn)Fig.1 Flange node model in CAESAR II

由于汽輪機(jī)對(duì)管口外載荷有著非常嚴(yán)格的要求。如果設(shè)備供貨商無特別規(guī)定，設(shè)備的管嘴外載荷校核標(biāo)準(zhǔn)一般按照NEMA SM23[5]或API 617[6]執(zhí)行。在NEMA SM23和API 617 校核規(guī)則中，不光限制了每個(gè)管嘴的許用載荷，對(duì)于各個(gè)管嘴產(chǎn)生的力和力矩，還需要統(tǒng)一匯總到設(shè)備的“合成點(diǎn)”進(jìn)行整體分析，其本質(zhì)是管嘴的外載荷會(huì)導(dǎo)致管嘴及設(shè)備殼體的形變或位移，殼體的變形或過量位移會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)軸發(fā)生偏移，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)引起軸的對(duì)中度下降，進(jìn)而造成設(shè)備振動(dòng)超標(biāo)等故障。

在API 686中明確定義了動(dòng)設(shè)備軸的對(duì)中度偏差不得大于0.002 in，對(duì)于此定義，并沒有明確說明是在什么工況下的測(cè)量數(shù)據(jù)，但有一點(diǎn)是明確的，只要管嘴存在外載荷，機(jī)殼上產(chǎn)生不平衡的外力和外力矩，機(jī)殼都將產(chǎn)生形變或位移（見圖2蒸汽透平外形圖）。所以對(duì)于敏感轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的理論校核來說，不但要校核設(shè)備操作時(shí)的外載荷，對(duì)于管道在冷態(tài)下的管口外載荷同樣要進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)前文所述，管道冷態(tài)時(shí)的載荷和溫度變化引起的反作用力的代數(shù)和即為設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)的載荷，那就會(huì)存在熱膨脹反力和冷態(tài)受力相互抵消的情況，會(huì)導(dǎo)致理論計(jì)算設(shè)備操作態(tài)載荷非常小，校核可以通過的錯(cuò)覺。然而在管道無應(yīng)力安裝對(duì)中完成后，彈簧定位銷移除，管道冷態(tài)下的作用力仍然有可能引起機(jī)殼的變形導(dǎo)致軸對(duì)中超標(biāo)，在設(shè)備進(jìn)行盤車檢查時(shí)同樣會(huì)引起卡死等問題。

圖2 典型的蒸汽透平外形Fig.2 Typical turbine shape drawing

4 管道支架重量

在運(yùn)用CAESARII進(jìn)行管道應(yīng)力分析計(jì)算時(shí)，管道的支架點(diǎn)是作為一個(gè)邏輯點(diǎn)在計(jì)算模型中進(jìn)行表示的，支架的實(shí)際重量并沒有在模型中被考慮，對(duì)于普通小管徑管道而言，支架重量相比管道重量來說占比很小，在計(jì)算中忽略造成的影響較小。但對(duì)于敏感動(dòng)設(shè)備相連的管道而言，考慮支吊架重量對(duì)提升理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行一致性有著至關(guān)重要的影響。

以某環(huán)氧乙烷裝置汽輪機(jī)進(jìn)口DN 300超高壓蒸汽管道為例，由于管道溫度較高，往往采用隔熱管托以隔絕管道熱量傳遞對(duì)下部支架和鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生的不利影響。DN 300隔熱管托重量高達(dá)170 kg，即使采用非隔熱的吊架，考慮到管夾在高溫下的強(qiáng)度要求，管夾的厚度也會(huì)增加，其重量達(dá)到50 kg左右，該重量遠(yuǎn)高于普通管道管夾的重量。在汽輪機(jī)管口附近的支架往往采用彈簧支架，如果不考慮管架重量，彈簧的載荷選型將會(huì)偏小，在管道無應(yīng)力安裝完成拆除定位銷后由于彈簧偏小的反作用力，管口實(shí)際載荷會(huì)和理論計(jì)算有區(qū)別，對(duì)蒸汽透平這種精密轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備而言，1 700 N的偏差往往會(huì)導(dǎo)致實(shí)際管口載荷的超標(biāo)。

5 結(jié)論

蒸汽透平作為敏感轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，其實(shí)際安裝運(yùn)行是否平穩(wěn)取決于理論計(jì)算準(zhǔn)確度、施工安裝等一系列問題。對(duì)于安裝溫度，首先是理論計(jì)算中設(shè)備的安裝溫度與管道的安裝溫度應(yīng)該統(tǒng)一，其次是施工時(shí)的安裝溫度應(yīng)該接近理論安裝溫度；對(duì)于動(dòng)設(shè)備管嘴的無應(yīng)力對(duì)中安裝要求，理論計(jì)算中無應(yīng)力對(duì)中校核方法應(yīng)該與正確的施工方法相吻合，理論校核同時(shí)也為無應(yīng)力對(duì)中施工進(jìn)行保障，避免管道因走向及支架設(shè)置不合理導(dǎo)致的無應(yīng)力對(duì)中困難。同時(shí)在理論計(jì)算中，管嘴冷態(tài)受力與熱態(tài)受力、管道附加重等問題也應(yīng)一并考慮。以上措施保證了理論計(jì)算、施工、設(shè)備真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)的統(tǒng)一連貫性，進(jìn)一步提高了理論應(yīng)力計(jì)算的仿真度。