某石化裝置汽輪機進出口管道設(shè)計中的問題探討

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

在石化裝置的管道設(shè)計中，與汽輪機進出口相連接的高溫蒸汽管道的設(shè)計是一個難點，主要是由于汽輪機是一個高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其機器本體對外界作用的力和力矩較為敏感，過大的外力和外力矩會引起汽輪機外殼變形、移位，進而造成汽輪機的轉(zhuǎn)動軸不對中，影響汽輪機的正常運行，嚴重的甚至?xí)斐蓹C組聯(lián)鎖停車[1]。所以在對汽輪機的進出口主蒸汽管道進行設(shè)計時，管道走向必須合理規(guī)劃，并進行詳細的管線應(yīng)力分析，使得管道對汽輪機的作用力和力矩控制在透平的允許受力范圍之內(nèi)，目前國內(nèi)外較為常用的汽輪機管口允許受力標準均參照美國電氣制造商協(xié)會NEMA SM23標準[2]。

隨著管道應(yīng)力計算方法和軟件的推廣，目前管道設(shè)計師在對汽輪機的進出口管道設(shè)計時已經(jīng)普遍采用應(yīng)力計算，使由于管道熱膨脹產(chǎn)生的外力和外力矩過大而引起的汽輪機故障問題大大減少。但是，由于管道走向和支架設(shè)計的不合理而使管道應(yīng)力計算結(jié)果與現(xiàn)場的實際情況產(chǎn)生偏差，從而使汽輪機運行時產(chǎn)生故障的情況時有發(fā)生，本文結(jié)合某石化裝置汽輪機在開車和運行時發(fā)生的問題及解決方案作一探討，供管道設(shè)計者參考。

1 汽輪機進出口管道的典型設(shè)計要求

SH/T 3012—2011 《石油化工管道布置設(shè)計規(guī)范》第5.10.2 要求：汽輪機的進出口管道布置應(yīng)經(jīng)過柔性計算確定，管道對管口的作用力和力矩應(yīng)符合制造商或NEMA SM23的要求。對于汽輪機進出口管道的典型配管設(shè)計如圖1所示。

圖1 汽輪機管道典型配管及支架位置設(shè)置示意Fig.1 Typical piping line and support positions of steam turbine

在汽輪機管道的柔性設(shè)計中，除了要保證管道走向有足夠的柔性以外，尚需要特別注意以下兩點：

（1）圖1中X、Z向限位支架的位置和設(shè)計對于汽輪機管口的推力控制十分重要，保證管道產(chǎn)生的熱膨脹不會在汽輪機的管口產(chǎn)生過大的推力[3]。

（2）汽輪機管口附近的彈簧支吊架均應(yīng)采用可變彈簧支吊架，以滿足汽輪機進出口管道進行無應(yīng)力安裝的要求[4]。

2 某石化裝置汽輪機進出口管道的原設(shè)計情況

某石化裝置的汽輪機相連的進口管道材質(zhì)為15 CrMoG，公稱通徑DN 150，壁厚Sch 80；出口管道材質(zhì)20 G，公稱通徑DN 350，壁厚Sch 40。

進出口管道的工藝設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 汽輪機進出口蒸汽管道的設(shè)計參數(shù)Tab.1 The design parameters of the steam lines

進出口管道走向如圖2、圖3所示。

圖2 汽輪機進口管線Fig.2 Steam line connecting with suction of turbine

圖3 汽輪機出口管線Fig.3 Steam line connecting with discharge of turbine

運用CAESARII 軟件對汽輪機進出口管線進行應(yīng)力分析，得到汽輪機管口處的載荷如表2所示。經(jīng)過核算，管口載荷滿足NEMA SM23的要求，因此認為設(shè)計時管道對汽輪機的推力不會影響汽輪機的正常運行。

表2 原設(shè)計時的汽輪機進出口上的管口載荷Tab.2 Nozzle loads on the suction and discharge of the turbine for the initial design

3 現(xiàn)場第一次開車時的問題及情況分析

2016年6月在汽輪機第一次開車時，曾發(fā)生汽輪機缸體被頂起的情況，經(jīng)過現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)汽輪機進出口管道上的彈簧支吊架定位銷都沒有被移除，因此可以判斷該問題由以下兩種情況引起。

（1）在管道施工時，沒有對汽輪機管道的管口進行無應(yīng)力安裝，彈簧支吊架的荷載也沒有根據(jù)實際管道的荷重調(diào)整。

（2）由于彈簧支吊架上的定位銷沒有移除，彈簧支吊架無法隨管道熱膨脹產(chǎn)生變形，所以實際上變成了剛性支架，此時原設(shè)計的管道向下熱膨脹變形被限制，從而在管道中產(chǎn)生了向上的額外推力，這個向上的額外推力使得汽輪機缸體發(fā)生頂起，如圖4所示。

圖4 彈簧支架熱位移示意Fig.4 The movement of the spring support on the stream line

對管道系統(tǒng)重新進行無應(yīng)力安裝并按要求移除彈簧支吊架的定位銷，無應(yīng)力安裝步驟按照API RP 686—2009 《機械設(shè)備安裝和安裝設(shè)計的推薦實施規(guī)程》第6章附錄B和附錄D 推薦的程序執(zhí)行，再次開車到2016年底，汽輪機一直順利運行，汽輪機轉(zhuǎn)動軸上各項參數(shù)正常平穩(wěn)。

4 現(xiàn)場運行一段時間后發(fā)生偏移的情況分析

汽輪機順利開車運行一段時間后，在2016年底到2017年2月發(fā)現(xiàn)汽輪機軸連續(xù)向一個方向偏移，數(shù)值由+4.0 mil 逐漸下降，最低降至-7.2 mil，截止5月底軸位移達到-9.01 mil，經(jīng)初步判斷汽輪機進出口管道上的推力仍存在過大的情況。

管道設(shè)計者再次對汽輪機進出口管道走向和支吊架的現(xiàn)場情況進行檢查和分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）原設(shè)計的進口管道由于管道直徑只有DN 150，管道柔性較好，現(xiàn)場所有的支架和原設(shè)計相符合，彈簧支架處的變形與原設(shè)計也相一致，所以判斷進口管道不是產(chǎn)生汽輪機軸位移的原因。

（2）對汽輪機出口管道進行現(xiàn)場核查，發(fā)現(xiàn)：

① 原設(shè)計時對汽輪機出口管道調(diào)節(jié)閥組的支架設(shè)計為一端滑動（節(jié)點410），另一端固定（節(jié)點560），核查應(yīng)力計算報告發(fā)現(xiàn)在節(jié)點410的彎頭處，管道向負Z方向（東向）位移量為50 mm，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)支架的位移量僅為5 mm 左右，如圖5、圖6所示，因此可以判斷管道的熱膨脹向著原設(shè)計的反方向即正Z方向發(fā)生了偏移。

② 沿著汽輪機出口管道的走向再次核查到節(jié)點325 處的限位支架時，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計時限位支架受到的水平推力為31 850 N，對該支吊架圖紙進行復(fù)查，并對現(xiàn)場支吊架及其生根部位進行檢查，發(fā)現(xiàn)支吊架本身的設(shè)計是滿足剛度要求的，但是支吊架生根處的鋼梁十分單薄，僅為［16a，不能夠滿足剛度要求，如圖5、圖7所示，現(xiàn)場檢查也發(fā)現(xiàn)該限位支架的生根梁發(fā)生了變形。

按照現(xiàn)場的實際情況，對原有管道進行重新應(yīng)力計算，在410 點增加5 mm的約束，在325 處的限位支架上增加剛度值，使其與現(xiàn)場的實際情況一致，此時汽輪機管口的受力如表3所示。

圖5 汽輪機出口管道現(xiàn)場核查Fig.5 The sketch of steam line connecting with turbine

圖6 節(jié)點410 處現(xiàn)場支架Fig.6 Pipe support on the node 410

圖7 節(jié)點325 處現(xiàn)場支架Fig.7 Pipe support on the node 325

表3 根據(jù)現(xiàn)場實際支吊架情況計算后的汽輪機進出口上管口載荷Tab.3 Nozzle loads on the suction and discharge of the turbine according to the actual situation

經(jīng)過核算，發(fā)現(xiàn)與汽輪機出口管道相連的管口上的受力MY和MZ的力矩遠大于原設(shè)計值，不能夠滿足NEMA SM23的要求。因此可以判斷，現(xiàn)場汽輪機軸的偏移是由于現(xiàn)場支吊架的實際情況與原有設(shè)計不一致，導(dǎo)致現(xiàn)場管道產(chǎn)生的實際推力大于原設(shè)計時的推力值引起的。

5 改進方案

保持汽輪機進口管道原有設(shè)計不動，重新對汽輪機出口管道走向及支吊架進行設(shè)計，考慮到調(diào)節(jié)閥組處的管道重量較為集中，由此產(chǎn)生的摩擦力相對較大，使得管道在實際運行時的情況與理論計算有一定的偏差，在計算時對調(diào)節(jié)閥附近的滑動支架增加了水平方向的約束，使其的計算位移與現(xiàn)場的實際位移情況相一致，同時對調(diào)節(jié)閥組附近的管道走向進行了修改，增加了局部的管道柔性，如圖8所示；另外，對節(jié)點325 處的限位支架生根處進行了加固，增加該限位支架的剛度，使得現(xiàn)場的實際情況與理論計算基本相吻合，經(jīng)計算，修改后的汽輪機管口受力情況如表4所示。

圖8 優(yōu)化后汽輪機出口管線Fig.8 The modified drawing of thesteam line connecting with turbine discharge

表4 修改后的汽輪機進出口上管口載荷Tab.4 Nozzle loads on the suction and discharge of the turbine after modification

經(jīng)過核算，修改后的管道推力能夠滿足NEMA SM23的要求，因此可以認為重新設(shè)計后的汽輪機進出口管道是合理的。

該石化裝置利用大修期間對汽輪機的進出口管道按改進方案的圖紙進行了重新施工，再次開車后一直平穩(wěn)運行至今。

6 結(jié)論

在汽輪機進出口管道設(shè)計時，合理設(shè)計布置汽輪機蒸汽進出口管道的走向、支架位置和型式等十分重要[5]，除了按照SH/T 3012—2011《石油化工管道布置設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計以外，尚需注意以下幾點：

（1）為防止汽輪機組運行時承受額外的載荷，在對汽輪機進出口管道安裝時要做到無應(yīng)力安裝[6]。

（2）在對汽輪機進出口管道進行無應(yīng)力安裝后，先檢查管線上的彈簧支吊架定位銷是否已經(jīng)全部移除，以防管線運行情況與設(shè)計出現(xiàn)偏差造成汽輪機運行異常。

（3）檢查現(xiàn)場支吊架的設(shè)計是否和原設(shè)計一致，特別是對于承受水平推力的軸向限位支架，除了要保證管道支架的強度以外，還要保證管道支架的剛度足夠大，以確?，F(xiàn)場的實際情況與原設(shè)計時的理論計算相一致。