大型蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道的應(yīng)力分析

邢一東丁建平 毛 煒 航天長征化學(xué)工程股份有限公司 北京101111

大型蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道具有高溫高壓的特點(diǎn)，是蒸汽透平系統(tǒng)的“主動(dòng)脈”，蒸汽入口管道布置與應(yīng)力分析的水平高低直接影響著項(xiàng)目裝置的安全與否［1，2］。蒸汽透平機(jī)管道設(shè)計(jì)不合理容易導(dǎo)致重大事故，如蒸汽透平機(jī)入口法蘭發(fā)生泄漏，蒸汽透平機(jī)組發(fā)生傾斜，甚至對(duì)機(jī)組造成損壞，嚴(yán)重威脅現(xiàn)場工作人員的生命安全。

本文利用基于有限元的管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II對(duì)某大型蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道進(jìn)行多工況應(yīng)力分析，并考慮最不利工況的設(shè)計(jì)。

1 蒸汽機(jī)組及入口管道材料參數(shù)

某化工裝置配套的制氧6.4×104Nm3/h空分裝置屬于目前國內(nèi)化工行業(yè)中的大型空分裝置，用于驅(qū)動(dòng)此裝置空壓機(jī)組和增壓機(jī)組的蒸汽透平機(jī)采用進(jìn)口全凝式大型蒸汽透平機(jī)。

蒸汽透平機(jī)入口介質(zhì)為高壓過熱蒸汽，蒸汽管道材料為12Cr1MoVG，材料的計(jì)算參數(shù)見表1。應(yīng)力分析通常按照美國ASME B31.3和NEMA SM23標(biāo)準(zhǔn)校核，當(dāng)設(shè)備廠家提供設(shè)備載荷時(shí)，按照設(shè)備廠家的許用載荷執(zhí)行。設(shè)備廠家提供的許用載荷見表2。

表1 蒸汽管道計(jì)算參數(shù)

表2 蒸汽透平機(jī)管口熱位移與許用載荷

2 管道布置

鍋爐產(chǎn)生的蒸汽由管廊界區(qū)經(jīng)過切斷閥組XV－01和XV－02進(jìn)入蒸汽透平入口速關(guān)閥XV－03前，在滿足蒸汽透平機(jī)要求的前提下，進(jìn)入蒸汽透平機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)透平機(jī)沖轉(zhuǎn)。工藝流程見圖1。

基于蒸汽入口管道的工藝流程和現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行管道布置，利用基于有限元的管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II對(duì)管道進(jìn)行建模，管道布置三維軸測(cè)圖見圖2。

圖1 蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道工藝流程示意圖

圖2 汽輪機(jī)主蒸汽管道布置三維軸測(cè)圖

從圖2可以看出，蒸汽從管廊界區(qū)流向汽輪機(jī)管口，在管廊界區(qū)處設(shè)置固定支架;閘閥XV－01為蒸汽管道的第一個(gè)切斷閥，閘閥XV－02為蒸汽管道的第二個(gè)切斷閥，在切斷閥前后設(shè)置彈簧;汽輪機(jī)管口附近多處設(shè)置彈簧及限位支架。

蒸汽最終流入蒸汽透平機(jī)管口。

3 結(jié)果與討論

3.1 多工況應(yīng)力分析

利用管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II對(duì)管道進(jìn)行詳細(xì)的多工況應(yīng)力分析計(jì)算，并根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際條件對(duì)支吊架和彈簧的型式進(jìn)行多次優(yōu)化，得到了多種工況下蒸汽透平機(jī)管口的受力載荷。將多工況下蒸汽透平機(jī)管口的受力載荷與設(shè)備廠家提供的許用載荷進(jìn)行比較，蒸汽管道多工況下蒸汽透平機(jī)管口受力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 蒸汽管道多工況下蒸汽透平機(jī)管口受力

對(duì)蒸汽入口管道進(jìn)行了多工況的詳細(xì)應(yīng)力分析。操作、設(shè)計(jì)、安裝為常規(guī)工況，而暖管工況也作為考慮工況，這是真實(shí)存在且苛刻的工況。暖管工況即蒸汽透平機(jī)尚未啟動(dòng)，而管道已經(jīng)開始通入蒸汽并通過放空管放空而得到加熱的狀態(tài)。暖管1工況為蒸汽在XV－01切斷閥前通過放空1管道放空;暖管2工況為蒸汽在蒸汽透平機(jī)速關(guān)閥XV－03(管口)前通過放空2管道放空。

由表3可知，汽輪機(jī)蒸汽管道的操作工況、設(shè)計(jì)工況、暖管1工況、安裝工況的計(jì)算綜合受力與許用綜合受力的比值結(jié)果都小于1，即綜合受力小于設(shè)備廠家給定的許用載荷。設(shè)備在這樣的受力條件下，是安全可靠的。

需要特別注意的是暖管2工況的綜合受力為其許用載荷的4.53倍，尤其綜合力矩達(dá)到許用載荷的10.2倍，明顯不符合要求。分析原因，暖管2工況下，管道已經(jīng)被蒸汽加熱，而設(shè)備管口在熱傳導(dǎo)的作用下會(huì)產(chǎn)生熱位移，如果仍然按照冷態(tài)無熱位移的情況計(jì)算顯然是無法通過的，更是不合理的。因此，經(jīng)過與設(shè)備廠家的溝通協(xié)商，設(shè)備廠家在所選型號(hào)機(jī)器構(gòu)造和暖管過程的基礎(chǔ)上計(jì)算給出暖管狀態(tài)下的管口端點(diǎn)熱位移，見表4。

表4 蒸汽透平機(jī)暖管時(shí)管口端點(diǎn)熱位移與許用載荷

將暖管工況端點(diǎn)熱位移輸入模型后，對(duì)管道進(jìn)行重新計(jì)算和優(yōu)化，結(jié)果見表5。

從表5中可以清楚的知道，暖管2工況的受力結(jié)果得到了明顯改善，其它工況的受力不變。但是暖管2工況的綜合受力占其許用載荷的1.66倍，這個(gè)計(jì)算結(jié)果仍然超過廠家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)器的影響是不利的，有可能導(dǎo)致汽輪機(jī)管口法蘭的蒸汽泄漏。

表5 蒸汽管道多工況下蒸汽透平機(jī)管口受力

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了保證汽輪機(jī)蒸汽管道的多工況設(shè)計(jì)安全，對(duì)汽輪機(jī)管道進(jìn)行管道布置的設(shè)計(jì)再優(yōu)化。暖管2工況的綜合受力超標(biāo)，主要是因?yàn)榫C合力矩比例高達(dá)3.67，而其直接原因?yàn)镸z嚴(yán)重超標(biāo)。此時(shí)，僅依靠管道支吊架、彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)不能從根本上改變管口受力，且同時(shí)滿足多工況的受力要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)思路為調(diào)整管道走向來增加管道柔性，由于管道的撓度與水平直管段長度的三次方成正比，又考慮到汽輪機(jī)管口受力的敏感性，改變汽輪機(jī)管口近端的水平管道長度效果更為明顯，現(xiàn)場東西向管道兩側(cè)有障礙構(gòu)筑物，由此決定增加南北向管道長度。優(yōu)化具體措施為在進(jìn)入汽輪機(jī)管口前的水平管道長度由原來的5 m增加到7 m。

管道布置做出了優(yōu)化后，通過管道應(yīng)力分析軟件進(jìn)行計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 管道布置優(yōu)化方案的多工況汽輪機(jī)管口受力

由表6可知，經(jīng)過管道布置優(yōu)化后，所有工況的計(jì)算綜合受力都小于設(shè)備廠家的許用綜合受力。操作、設(shè)計(jì)和安裝工況的力、力矩都在許可范圍內(nèi)，盡管暖管工況的許用力矩一項(xiàng)略超，經(jīng)設(shè)備廠家確認(rèn)后，認(rèn)為該數(shù)據(jù)不會(huì)對(duì)汽輪機(jī)管口安全造成影響，所有工況的設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求，汽輪機(jī)蒸汽管道多工況設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)語

通過高壓蒸汽透平機(jī)主蒸汽管道安裝、暖管放空、正常操作等多工況的應(yīng)力分析，特別是暖管放空工況管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保了各工況下的汽輪機(jī)主蒸汽管道的受力滿足要求。

對(duì)蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道的布置及應(yīng)力分析提出幾點(diǎn)建議:

(1)蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道要進(jìn)行多工況的設(shè)計(jì)，特別是管道的最不利工況的計(jì)算。

(2)蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道的布置要進(jìn)行充分的柔性設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析，以保證設(shè)備管口受力符合標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)備廠家的苛刻要求

(3)蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道的應(yīng)力分析要與設(shè)備廠家進(jìn)行溝通確認(rèn)蒸汽透平機(jī)管口的許用載荷和初始熱位移。

(4)蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道設(shè)計(jì)豎直長度應(yīng)該盡可能短，與之相連接的第一段水平管道長度應(yīng)盡可能長，以增強(qiáng)管道柔性。

(5)蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道設(shè)計(jì)上止推支架間隙的選擇應(yīng)該不敏感，以減少施工誤差對(duì)管系帶來的不利影響。

(6)蒸汽透平機(jī)蒸汽入口管道的布置和應(yīng)力分析要做到系統(tǒng)安排，做到設(shè)計(jì)、施工、操作和管理的多環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1 岳進(jìn)才.壓力管道技術(shù) ［M］.北京:中國石化出版社，2009.

2 宋岢岢.壓力管道設(shè)計(jì)及工程實(shí)例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

3 孫 利，錢江波.主蒸汽管道支吊架調(diào)整及管道應(yīng)力分析［J］.熱電技2005，(2):54－55.

4 鄭 勇.小型汽輪機(jī)本體傾斜事故的分析［J］.硫酸工業(yè)，2009，(2):37－38.

5 王 濤.背壓式汽輪機(jī)支腿翹起的原因與分析 ［J］.化工設(shè)計(jì)與通訊，2011，(6):57－59.

6 張映偉，于 川.蒸汽管道連接的變徑管泄露分析與對(duì)策［J］.廣東化工，2006，(4):58－59.

7 ASME B31.3－2008.Precess Piping.

8 NEMA SM23，Steam Turbines for Mechanical Drive Service，National.Electrical Manufactures Association.

9 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析［M］.北京:中國石化出版社，2010.