孫煥青，袁本旺，王兵槐

(航天長征化學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主蒸汽管道的應力分析

孫煥青，袁本旺，王兵槐

(航天長征化學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目中高壓抽注凝汽式汽輪機主蒸汽管道的特點，為了保證高溫高壓管道的安全穩(wěn)定運行及此類汽輪機的順利開車，采用CASER II應力分析軟件，對此類汽輪機的高溫高壓管道的配管進行了應力分析和優(yōu)化設計，通過合理設置支吊架以及增加管系柔性，使汽輪機管口受力、管系的應力及位移滿足標準規(guī)范的要求，并對彈簧的選型進行了論述。

關鍵詞：應力分析；優(yōu)化設計；高溫高壓；彈簧

化工廠大型合成氨尿素項目中的汽輪機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車和安全運行，此類管道的應力分析也顯得越來越重要[1]。因此，需將管道的設計與計算向國內(nèi)外先進水平靠攏，特別是此類管道的設計，更應以應力分析計算為依據(jù)[2]。管道應力分析也日漸受到投資方和設計單位的重視，在一些國家重點工程和外商投資項目中，明確要求設計單位提供管道應力分析計算書[3]。管道應力分析是管道設計的基礎，主要研究管道在各種荷載作用下產(chǎn)生的力、力矩和應力，對管道的安全性進行評價，使設計的管道盡可能經(jīng)濟合理[4]。

目前，煤化工項目汽輪機主蒸汽管道一般為中高壓管道。根據(jù)GB50316—2000(2008版)《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》和GB/T 20801[1]—2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》第3部分設計和計算中管道應力分析的要求，該類管道必須進行詳細的應力分析計算。

筆者結合某大型合成氨尿素項目施工圖中高壓抽注凝汽式汽輪機主蒸汽管道的配管設計和應力分析計算，探討了此類汽輪機主蒸汽管道的配管設計、支吊架的合理選擇以及彈簧的選型，對此類汽輪機管道的配管設計具有一定的參考意義。

1高壓抽注凝汽式汽輪機主蒸汽管道的設計

1.1主蒸汽管道的特點

汽輪機管口受力要求較為嚴格，汽輪機管道的柔性設計是管道應力分析中較為困難的問題。

高壓抽注凝汽式汽輪機入口蒸汽管道的設計溫度較高，管道的設計壓力較大，管道材料大都為15CrMo，壁厚相對較厚，其剛度大，柔性差。

1.2主蒸汽管道的設計思路

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

管道設計中，增加管道柔性的方法主要有：改變管道走向、選用補償器和彈簧支吊架[5]。一般來講，在條件允許的情況下，應首先考慮采用改變管道走向和選用彈簧支吊架的方法來增加管道柔性，當兩固定點位置一定時，增加管道長度可以增加管道柔性；管道在某一方向過于剛硬時，增加與其垂直方向的管道長度可減小管道剛度[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償能力，在熱力管網(wǎng)布置中應優(yōu)先考慮[7]。此外，在管道的適當位置設置剛性支吊架和限位支架，以限定管道在某些方向的位移，從而改變整個管系的力和力矩的分布，使管道對設備管口的推力和力矩降低下來，雖然這樣設計會使管道的熱脹應力有所增加，但只要限定在許用應力范圍內(nèi)，仍然是經(jīng)濟合理的[8]。

由于汽輪機入口蒸汽管道的操作壓力較高，不宜使用波紋膨脹節(jié)等補償器，宜采用自然補償和選用彈簧支吊架來增加管道的柔性。汽輪機入口蒸汽管道多采用鉻鉬鋼材質(zhì)，管材的價格相對較高，若僅靠改變管道走向增加管道柔性來降低管道對設備管口的作用力，不但增加管件數(shù)量和管道長度，增加投資費用，而且容易造成管系振動。因此，我們在增加管道柔性時，通常結合改變管道走向和合理設置彈簧支吊架來改變整個管系的力和力矩的分布，從而使管道對汽輪機管口的作用力和力矩達到NEMA SM23和汽輪機廠家的要求。

進行汽輪機管道柔性設計時應注意以下問題[6]：①計算時必須考慮機器管口的熱態(tài)位移，并應考慮最不利的工況；②對汽輪機進行受力驗算分析時，應該包括進出口和抽氣口；汽封管道可不作詳細應力分析，但應保證具有足夠柔性；③計算時應考慮機器管口處管道法蘭的質(zhì)量；④汽輪機管口附近的幾組支吊架一般應采用彈簧支吊架，以減小垂直管道的熱膨脹引起的管口熱態(tài)作用力，同時減小摩擦力的影響；⑤由于機器各管口受力的整體校核往往最難通過，因此，計算時應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宜在管道與機器固定點處坐標軸的交點位置附近設置限位支架，從而使機器管口的熱膨脹與管道熱膨脹基本相當，減小管道對機器管口的作用力。

2管系的計算模型與結果分析

在筆者承擔的某合成氨尿素項目施工圖設計中，汽輪機入口管道的介質(zhì)為中壓蒸汽，操作溫度為385 ℃，設計溫度為435 ℃，操作壓力為3.6 MPa(g)，設計壓力為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。 汽輪機型式為高壓抽注凝汽式汽輪機，有2個主蒸汽入口，管口位移由廠家提供。

2.1力學模型的處理

閥門、法蘭在CAESAR II程序中用剛性體來代替，并應輸入相應的質(zhì)量。以往應力計算時，設備的進出管口均認為是固定的[2]，這樣計算出來的結果是不可靠的，應將管口的位移計算出來。對于含有裙座的設備，裙座的位移可參考文獻[6]計算。對于該例，我們計算的與管道相連設備管口的初始位移數(shù)據(jù)見表1。

表1　設計工況下汽輪機管口初始位移

2.2計算結果及分析

應力模型考慮了4種工況，即操作工況、設計工況(見圖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)點號，節(jié)點2 050和節(jié)點2 400分別代表汽輪機的蒸汽入口，節(jié)點100代表帶有四向限位的剛性支架，節(jié)點500、1 350、1 400代表帶有二向限位的剛性支架，節(jié)點650、1 500、1 900、2 250、3 300、3 400、3 650代表彈簧架，其它節(jié)點代表剛性支架，X代表正東方向，Y代表豎直向上，Z代表正南向。

圖1　設計工況應力計算模型

汽輪機的轉(zhuǎn)速很高，因傳動軸不對中引起的微小振動也可能影響汽輪機的正常運行，所以汽輪機的受力限制非常嚴格。在汽輪機制造廠未提出允許受力限制時，一般參照美國電氣制造商協(xié)會標準NEMA SM23對機器受力加以限制，NEMA SM23中的坐標系約定是：機軸方向為X軸方向，垂直向上方向為+Y[6]。

(1) 作用任何一管口上的合力及合力矩應滿足以下要求：

0.914 4FR+MR≤26.289De

(1)

式中，De為當量直徑，mm；FR為單個管口的合力，N；MR為單個管口的合力矩，N·m。

(2) 進汽口、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滿足以下條件。

合力及合力矩應滿足以下條件：

0.609 6FC+MC≤13.345DC

(2)

式中，F(xiàn)C，MC分別為進汽口、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為按公稱直徑計算得到的各管口面積之和的當量直徑，mm。

FC，MC在X、Y、Z3個方向的分力以及分力矩應滿足以下條件：

∣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個方向的分力，N；MCX，MCY，MCZ為MC在X、Y、Z3個方向的分力矩，N·m。計算結果見表2。

表2　應力計算模型計算出各工況下汽輪機管口的力和力矩

管道應力計算主要是計算管道在內(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)生的應力[5]。在管口受力滿足要求后，我們還要查看管道上各點的一次應力值是否小于許用應力值，冷態(tài)下管道上各點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的二次應力值是否在許用應力范圍之內(nèi)，管道的最大位移量應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，為土建結構提供設計依據(jù)。

(1)一次應力的評價。改進后的配管管系中計算出的最大一次應力為σI=40 915.83 kPa，ANSIB31.3標準中材料的許用應力為[σ]h=102 387.10 kPa。即：

σI=39.96%[σ]h<[σ]h

(6)

管系的一次應力符合要求。

(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)二次應力的評價。改進后的配管管系中計算出的最大二次應力為σⅡ=61 905.88 kPa，ANSIB31.3標準中材料的許用應力幅度σa=282 144.70 kPa。即：

σⅡ=21.94%[σ]a<[σ]a

(7)

管系的二次應力符合要求。

3彈簧的選擇

汽輪機管口許用載荷的要求比較苛刻，在設置支吊架的過程中，我們通常要在管口附近設置一些彈簧支吊架，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，從而降低設備管口的受力，也起到了減小二次應力的作用。當然，彈簧支吊架選擇的個數(shù)對管系的影響也較大；選擇多了，容易造成震動，導致管系不穩(wěn)定[10]；選擇少了，對于管口的受力、管系的二次應力又有很大的影響。所以，我們必須通過程序進行優(yōu)化，選擇合適的彈簧及其個數(shù)。

彈簧選擇完后，對于可變彈簧還要以其載荷變化率進行驗證，判斷選擇的彈簧是否可用。驗證公式如下：

(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%，故所選彈簧型號正確，可用。

4結語

汽輪機主蒸汽管道的合理布置對于裝置的安全運行起著至關重要的作用，管道應力分析是保證管道安全運行的一種重要方法。通過分析、調(diào)整管道走向和合理設置支吊架使之滿足各標準規(guī)范的要求，并且得到了較為優(yōu)化的配管設計。

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收規(guī)范》中6.2.8條款中的要求，與汽輪機相連的管線要求做到無應力配管，以保證設備的正常運轉(zhuǎn)。與汽輪機相連的管道，在其支吊架安裝完畢后，應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，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螺栓孔，則表明與汽輪機相連的管道沒有做到無應力配管的要求。在配對法蘭緊固到汽輪機管口法蘭上后，再與管道組合件及管件進行點焊，要求點焊牢固，以防止焊接過程中產(chǎn)生應力變形，同時調(diào)整節(jié)點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問題，又控制了管道對設備的應力，滿足汽輪機管口處的冷態(tài)無應力連接要求。

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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

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

中圖分類號：TK 261

文獻標識碼：B

文章編號：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