大型蒸汽透平機蒸汽入口管道的應力分析

邢一東丁建平 毛 煒 航天長征化學工程股份有限公司 北京101111

大型蒸汽透平機蒸汽入口管道具有高溫高壓的特點，是蒸汽透平系統的“主動脈”，蒸汽入口管道布置與應力分析的水平高低直接影響著項目裝置的安全與否［1，2］。蒸汽透平機管道設計不合理容易導致重大事故，如蒸汽透平機入口法蘭發生泄漏，蒸汽透平機組發生傾斜，甚至對機組造成損壞，嚴重威脅現場工作人員的生命安全。

本文利用基于有限元的管道應力分析軟件CAESAR II對某大型蒸汽透平機蒸汽入口管道進行多工況應力分析，并考慮最不利工況的設計。

1 蒸汽機組及入口管道材料參數

某化工裝置配套的制氧6.4×104Nm3/h空分裝置屬于目前國內化工行業中的大型空分裝置，用于驅動此裝置空壓機組和增壓機組的蒸汽透平機采用進口全凝式大型蒸汽透平機。

蒸汽透平機入口介質為高壓過熱蒸汽，蒸汽管道材料為12Cr1MoVG，材料的計算參數見表1。應力分析通常按照美國ASME B31.3和NEMA SM23標準校核，當設備廠家提供設備載荷時，按照設備廠家的許用載荷執行。設備廠家提供的許用載荷見表2。

表1 蒸汽管道計算參數

表2 蒸汽透平機管口熱位移與許用載荷

2 管道布置

鍋爐產生的蒸汽由管廊界區經過切斷閥組XV－01和XV－02進入蒸汽透平入口速關閥XV－03前，在滿足蒸汽透平機要求的前提下，進入蒸汽透平機內部實現透平機沖轉。工藝流程見圖1。

基于蒸汽入口管道的工藝流程和現場的實際情況進行管道布置，利用基于有限元的管道應力分析軟件CAESAR II對管道進行建模，管道布置三維軸測圖見圖2。

圖1 蒸汽透平機蒸汽入口管道工藝流程示意圖

圖2 汽輪機主蒸汽管道布置三維軸測圖

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

蒸汽最終流入蒸汽透平機管口。

3 結果與討論

3.1 多工況應力分析

利用管道應力分析軟件CAESAR II對管道進行詳細的多工況應力分析計算，并根據現場的實際條件對支吊架和彈簧的型式進行多次優化，得到了多種工況下蒸汽透平機管口的受力載荷。將多工況下蒸汽透平機管口的受力載荷與設備廠家提供的許用載荷進行比較，蒸汽管道多工況下蒸汽透平機管口受力計算結果見表3。

表3 蒸汽管道多工況下蒸汽透平機管口受力

對蒸汽入口管道進行了多工況的詳細應力分析。操作、設計、安裝為常規工況，而暖管工況也作為考慮工況，這是真實存在且苛刻的工況。暖管工況即蒸汽透平機尚未啟動，而管道已經開始通入蒸汽并通過放空管放空而得到加熱的狀態。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速關閥XV－03(管口)前通過放空2管道放空。

由表3可知，汽輪機蒸汽管道的操作工況、設計工況、暖管1工況、安裝工況的計算綜合受力與許用綜合受力的比值結果都小于1，即綜合受力小于設備廠家給定的許用載荷。設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，管道已經被蒸汽加熱，而設備管口在熱傳導的作用下會產生熱位移，如果仍然按照冷態無熱位移的情況計算顯然是無法通過的，更是不合理的。因此，經過與設備廠家的溝通協商，設備廠家在所選型號機器構造和暖管過程的基礎上計算給出暖管狀態下的管口端點熱位移，見表4。

表4 蒸汽透平機暖管時管口端點熱位移與許用載荷

將暖管工況端點熱位移輸入模型后，對管道進行重新計算和優化，結果見表5。

從表5中可以清楚的知道，暖管2工況的受力結果得到了明顯改善，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，這個計算結果仍然超過廠家標準，對機器的影響是不利的，有可能導致汽輪機管口法蘭的蒸汽泄漏。

表5 蒸汽管道多工況下蒸汽透平機管口受力

3.2 優化設計

為了保證汽輪機蒸汽管道的多工況設計安全，對汽輪機管道進行管道布置的設計再優化。暖管2工況的綜合受力超標，主要是因為綜合力矩比例高達3.67，而其直接原因為Mz嚴重超標。此時，僅依靠管道支吊架、彈簧的優化設計已經不能從根本上改變管口受力，且同時滿足多工況的受力要求。優化設計思路為調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，又考慮到汽輪機管口受力的敏感性，改變汽輪機管口近端的水平管道長度效果更為明顯，現場東西向管道兩側有障礙構筑物，由此決定增加南北向管道長度。優化具體措施為在進入汽輪機管口前的水平管道長度由原來的5 m增加到7 m。

管道布置做出了優化后，通過管道應力分析軟件進行計算結果見表6。

表6 管道布置優化方案的多工況汽輪機管口受力

由表6可知，經過管道布置優化后，所有工況的計算綜合受力都小于設備廠家的許用綜合受力。操作、設計和安裝工況的力、力矩都在許可范圍內，盡管暖管工況的許用力矩一項略超，經設備廠家確認后，認為該數據不會對汽輪機管口安全造成影響，所有工況的設計結果滿足要求，汽輪機蒸汽管道多工況設計合理。

4 結語

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

對蒸汽透平機蒸汽入口管道的布置及應力分析提出幾點建議:

(1)蒸汽透平機蒸汽入口管道要進行多工況的設計，特別是管道的最不利工況的計算。

(2)蒸汽透平機蒸汽入口管道的布置要進行充分的柔性設計和應力分析，以保證設備管口受力符合標準或設備廠家的苛刻要求

(3)蒸汽透平機蒸汽入口管道的應力分析要與設備廠家進行溝通確認蒸汽透平機管口的許用載荷和初始熱位移。

(4)蒸汽透平機蒸汽入口管道設計豎直長度應該盡可能短，與之相連接的第一段水平管道長度應盡可能長，以增強管道柔性。

(5)蒸汽透平機蒸汽入口管道設計上止推支架間隙的選擇應該不敏感，以減少施工誤差對管系帶來的不利影響。

(6)蒸汽透平機蒸汽入口管道的布置和應力分析要做到系統安排，做到設計、施工、操作和管理的多環節協調統一。

1 岳進才.壓力管道技術 ［M］.北京:中國石化出版社，2009.

2 宋岢岢.壓力管道設計及工程實例［M］.北京:化學工業出版社，2005.

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

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9 唐永進.壓力管道應力分析［M］.北京:中國石化出版社，2010.