空分項目中主蒸汽管道設計分析

袁楊楊 沈杰

摘 要：汽輪機是現階段大部分大型及超大型空分項目使用最多的設備。在使用汽輪機的過程中，若想保證汽輪機能夠安全有效的運行，必須對其主蒸汽管道進行合理的設計。基于此，本文以某空分項目為例，分析該項目中主蒸汽管道的設計，期望對相關人員有所啟示。

關鍵詞：空分項目;汽輪機;主蒸汽管道;應力分析

引言：空分項目的主蒸汽管道在其正常工作時，管道處于高溫、高壓的狀態，這就導致管道極易受到蒸汽的影響出現破損的現象。因此，在進行對汽輪機主蒸汽管道設計時，需要考慮汽輪機運行時所處的高壓、高溫的工作狀態，以降低管口應力及保證管道布局合理為主要目標，才能夠促使主蒸汽管道能夠滿足汽輪機的使用需求。

1 工程概況

為了更好的分析空分項目主蒸汽管道的設計，本文以某空分項目為例，該項目的規模為84000Nm?/h（O2），采用西門子的汽輪機，筆者對該項目實地考察并收集相關數據作，本項目汽輪機主蒸汽管道的壓力為5.05Mpa，設計溫度為410℃，蒸汽流量為228t/h。

2 空分項目中主蒸汽管道設計分析

2.1設計要求分析

汽輪機在正常運行時所使用的蒸汽具有高溫、高壓的特點，這將會給汽輪機的主蒸汽管道帶來較大二次應力，因此，需對汽輪機主蒸汽管道進行合理設計，保證主蒸汽管道的使用安全。

在進行空分項目中主蒸汽管道的設計時需要考慮諸多因素，通常情況下，汽輪機對主蒸汽管道的要求主要包括兩點，一是需要主蒸汽管口的推力較小，二是需要主蒸汽管口的力矩較小。因此，在主蒸汽管道設計時，需要根據汽輪機的需求，對主蒸汽管道的應力精準計算，并對汽輪機主蒸汽管口推力進行分析。且通常情況下，需要設計出多種主蒸汽管道的設計方案，并在其中選擇既經濟實用、又符合汽輪機實際運行需求的主蒸汽管道設計，隨后利用相關軟件進行管口推力、力矩的校驗，對主蒸汽管道的設計圖進行優化，從而促使主蒸汽管道管口的推力和力矩能夠幫助主蒸汽管道真正的發揮其功能與價值[1]。

2.2空分項目主蒸汽的管道設計

在該項目主蒸汽管道設計的過程中，為了更好的對汽輪機管口的受力情況進行校驗，該項目的主蒸汽管道設計人將管口受力返還給汽輪機設計人員進行校驗，根據設計要求，主蒸汽管道的設計人需要先利用NEMASM23中的相關公式對汽輪機主蒸汽管道管口的應力進行驗算，隨后汽輪機廠家的設計人員利用CAESRA Ⅱ軟件對汽輪機主蒸汽管道的管口受應力情況進行計算，得到管口的應力數據，并以此為參考依據，對管口的布置情況進行合理的設計[2]。隨后，設計人員對汽輪機主蒸汽的管道進行合理的設計。該項目汽輪機管口為雙管口，在設計的過程中需注意管口處管道對稱布置，若連接管口處的管道不對稱，則會導致兩個管道內蒸汽氣流不同，進而會導致管道的受力不均勻，管道所承受的壓力不均勻，而當主蒸汽管道受力不均勻時，則會引起偏流，使兩個管口管道的連接處受到損壞。因此，在該項目主蒸汽管道的設計人員在設計時，考慮了需要保證兩管口的應力均勻情況，通過對主蒸汽管口的推力及力矩校驗后，對主蒸汽管道的布置情況進行了多種設計，并通過對比分析后，確定了最優的設計方案，具體設計方案如下圖所示。

其中，550點為主蒸汽管道室內與室外的連接點。為了減小550處管道的受力影響，將550處的管道設計為X、Y、Z方向限位。由于840處為兩管口管道的連接處，為了減小840處的受力情況，需將840處的管道設計為X方向限位。此外，為了滿足主蒸汽管道的實際使用需求，需要將785處設為Y、Z方向限位、690處設為X、-Y、Z方向限位、640處為X、-Y方向限位，745處設為Z方向限位。通過對該設計方案的管口處應力計算后發現，管口處的推力及力矩均能夠滿足汽輪機的使用要求，且管口處管道布置均勻，不易產生偏流的情況，使用安全性較高。

該設計方案雖然通過了應力計算的校驗，從設計方案基本要求上來看并無不妥，但該項目汽輪機負責人發現，該設計方案方向限位較多，若使用該方案則需要在主蒸汽管道的建設過程中使用大量的限位支架，才能夠保證管道能夠符合設計要求。然而汽輪機在實際運行過程中，蒸汽將會對管道產生較大的推力，而管道所受的推力也必然會給限位支架產生較大的推力，長久以往，則會導致限位支架失衡。若限位支架失衡，則會導致管道成為了蒸汽推力的主要承受對象，限位支架無法為管道分擔受力，這樣會導致管道極易受到損壞，極易引發管口連接處漏氣、汽輪機傾斜等事故，導致該項目汽輪機無法正常運行。因此，需要設計人員對該方案進一步優化。

為了減少限位支架的使用量，需對管道的限位情況進行重新設計，因此，結合實際汽輪機的要求，設計人員在不影響管道使用效果的前提下，在將640處設計為-Y方向限位，將690處設計為-Y、Z方向限，將785處設計為Z方向限位，并取消了745處的方向限位支架。該方案相比于初始方案而言，減少了4處支架的使用量。通過對管口應力情況的計算后發現，管口的應力仍然能夠滿足汽輪機管道的使用要求，下圖為優化后的汽輪機主蒸汽管道設計方案。

結論：綜上所述，在主蒸汽管道設計的過程中，首先需要對管口處的受應力情況進行分析與驗算，從而促使管口處的推力、力矩能夠滿足管道的實際運行要求，確保了管道的使用安全性。其次，在管道應力通過校驗后，需要對管道的布置進行進一步的優化，對于雙管口的主蒸汽管道而言，需要保證管口處管道的布置均勻，同時需要在不影響管道正常使用的前提下，盡量減少限位支架的使用，從而才能夠避免主蒸汽管道出現破損的情況。

參考文獻：

[1]劉明超; 郭東升.直埋蒸汽管道的設計要點分析[J].區域供熱，2020，12（15）：143-145.

[2]亓峰; 王永鋒.空分裝置高壓蒸汽管道在設計中的常見問題分析及改進措施[J].肥料與健康，2020，06（28）：96-98.

（1.浙江省天正設計工程有限公司;2.杭州杭氧化醫工程有限公司，浙江杭州 310012）