余熱鍋爐高溫高壓管道應(yīng)力分析及應(yīng)用探索

李復(fù)生 劉朕成 唐君

摘要：為了更好地實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒電廠余熱鍋爐長期穩(wěn)定運(yùn)行，提高管道安全性，防止管道爆裂造成人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失，不少企業(yè)采用AutoPIPE軟件對(duì)余熱鍋爐高溫高壓管道建模、仿真模擬分析管道應(yīng)力。同時(shí)，采取管道建立模型、選取材料、計(jì)算管道強(qiáng)度和剛度選定跨距、分析模型應(yīng)力分和安全性判定等一系列措施，以實(shí)現(xiàn)管道的安全設(shè)計(jì)及運(yùn)用。AutoPIPE軟件程序可以在余熱鍋爐高溫高壓管道的設(shè)計(jì)、驗(yàn)算和安全評(píng)定上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高效化。根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)積累，筆者所在企業(yè)確立了一套管道模擬應(yīng)力分析方法，大大提高了管道的設(shè)計(jì)效率和使用的安全性能，并已廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒領(lǐng)域，可有效滿足生活垃圾焚燒電廠的供應(yīng)鏈需求。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒；管道應(yīng)力；自動(dòng)化；安全性能

隨著城市化進(jìn)程的加快，城鄉(xiāng)生活垃圾量越來越大。截至2018年年底，全國共建成垃圾焚燒電廠364座，并且新建垃圾焚燒電廠數(shù)量仍然在不斷增長。越來越多的垃圾焚燒電廠在建或者投入運(yùn)行，而余熱鍋爐的高溫高壓管道穩(wěn)定高效運(yùn)行問題日益引起業(yè)界人士的關(guān)注。管道輸送的介質(zhì)是高溫高壓介質(zhì)，因此，對(duì)管道品質(zhì)要求非常嚴(yán)格。為確保管道及配合連接設(shè)備的安全可靠，管道設(shè)計(jì)必須通過應(yīng)力分析判斷其安全性和合理性，對(duì)整個(gè)焚燒發(fā)電廠運(yùn)行起到關(guān)鍵性的影響。但目前部分垃圾焚燒電廠對(duì)高溫高壓管道選用不夠重視，經(jīng)常出現(xiàn)管道泄漏，甚至爆管等情況，從而導(dǎo)致停爐，嚴(yán)重影響鍋爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行 。

當(dāng)前，垃圾焚燒行業(yè)發(fā)展迅猛，高溫高壓管道應(yīng)力分析與計(jì)算作為管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)逐漸被重視，并取得了較大的進(jìn)步。高溫高壓管道應(yīng)力分析作為管道設(shè)計(jì)是否安全合理的判斷手段，對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)、成本控制及現(xiàn)場安裝都起著關(guān)鍵性的作用 。

一、管道應(yīng)力分析

（一） 應(yīng)力分析的目的

（1）保證管道應(yīng)力在規(guī)定的允許范圍內(nèi)，防止管道受到過載應(yīng)力，導(dǎo)致金屬材料疲勞從而引起管道破壞。

（2）管道裝置的管口符合使用要求或公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）通過計(jì)算管道強(qiáng)度和剛度選定跨距，布置合適的管道支吊架。

（4）解決管道過載、變形問題。

（5）輔助配管優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（二）應(yīng)力分析的規(guī)定和要求

管道應(yīng)力分析應(yīng)遵循相應(yīng)規(guī)定和要求，一般包括以下6個(gè)方面：

（1）高溫高壓管道在受到外力的載荷工況下，需在應(yīng)力分析中給定方法和安全判定規(guī)范。

（2）在做高溫高壓管道應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)考慮管道的強(qiáng)度和剛度。

（3）在選取高溫高壓管道支吊架時(shí)，應(yīng)考慮彈簧支吊架、恒力吊架、固定支架、滑動(dòng)支架、油壓阻尼器、導(dǎo)向支架、剛性吊架、剛性支架、限位形吊架的適用范圍和特點(diǎn)，合理布置，在保證支架強(qiáng)度安全的前提下，減小管道應(yīng)力。

（4）管道應(yīng)力分析應(yīng)采用必要的軟件作為輔助手段。

（5）管道應(yīng)力需滿足安全評(píng)定條件。

（6）滿足業(yè)主的特殊要求。

（三） 應(yīng)力分析的主要內(nèi)容

管道應(yīng)力分析分為靜應(yīng)力分析和動(dòng)應(yīng)力分析兩類。

1.靜應(yīng)力力分析

（1）計(jì)算管道中的應(yīng)力并使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證管道安全（包括防止法蘭泄漏）。

（2）計(jì)算管道對(duì)與其相連的機(jī)器、設(shè)備的作用力，并使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證機(jī)器設(shè)備的安全。

（3）計(jì)算管道對(duì)支吊架和土建結(jié)構(gòu)的作用力，為支吊架和體檢結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，保證支吊架和土建結(jié)構(gòu)安全。

（4）計(jì)算管道位移，防止位移過大造成支架脫落或管道碰撞，并為彈簧支吊架的選用提供依據(jù)。

2.動(dòng)應(yīng)力分析

（1）管道熱膨脹狀態(tài)下應(yīng)力分析，防止管道受熱膨脹，熱位移超限，導(dǎo)致管道發(fā)生撕裂。

（2）管道地震力狀態(tài)下應(yīng)力分析，防止管道在受地震力，水平方向位移超限，導(dǎo)致管道發(fā)生撕裂。

（3）機(jī)械傳動(dòng)壓縮機(jī)等管道的強(qiáng)迫振動(dòng)分析，控制管道的振動(dòng)應(yīng)力，防止管道因振動(dòng)發(fā)生疲勞破壞。

（4）常采用的有模態(tài)分析和自然頻率分析、反應(yīng)波譜分析、衰減諧波分析以及時(shí)程分析等。

綜上所述，在應(yīng)力分析過程中，應(yīng)根據(jù)管道選用材料、壓力、溫度及受力載荷工況，優(yōu)化管道路徑，實(shí)現(xiàn)管道安全。

二、管道應(yīng)力分析載荷工況

應(yīng)力分析過程中管道可能存在的載荷工況，主要包含以下9個(gè)方面：

（1）重力荷載：包括管道自重、保溫重、介質(zhì)重和積雪重等。

（2）壓力荷載：壓力載荷包括內(nèi)壓力和外壓力。

（3）位移荷載：位移載荷包括管道熱脹冷縮位移、端點(diǎn)附加位移、支承沉降等。

（4）風(fēng)荷載。

（5）地震荷載。

（6）瞬變流沖擊荷載：如安全閥啟跳或閥門的快速啟閉時(shí)的壓力沖擊。

（7）兩相流脈動(dòng)荷載。

（8）壓力脈動(dòng)荷載：如往復(fù)壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)。

（9）機(jī)械振動(dòng)荷載：如回轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)。

三、管道應(yīng)力分析過程

采用AutoPIPE程序?qū)艿澜＃?/p>

（1）按照高溫高壓管道設(shè)計(jì)路徑建立模型。

（2）選取管道規(guī)格及材料屬性（圖1）。

（3）管道跨距計(jì)算后，確定在適當(dāng)?shù)奈恢貌贾弥У跫堋８邷馗邏汗艿揽缇嘤?jì)算，如圖2所示。

對(duì)高溫高壓管道設(shè)置對(duì)應(yīng)溫度、壓力、風(fēng)載、加速度等外部載荷工況（圖3）。

綜上所述，高溫高壓管道應(yīng)力分析模型建立完畢，如圖4所示。

四、管道應(yīng)力分析結(jié)果及安全評(píng)定

（一）應(yīng)力分析結(jié)果

按照建立模型，采用AutoPIPE程序模擬分析（應(yīng)力比＜1，合格），如圖5所示。

（二）應(yīng)力分析安全評(píng)定

管道輸送的是高溫高壓介質(zhì)，因此，對(duì)管道品質(zhì)要求非常嚴(yán)格。為確保管道及配合連接設(shè)備的安全可靠，管道設(shè)計(jì)必須通過應(yīng)力分析判斷其安全性和合理性，同時(shí)要滿足安全評(píng)定的要求。當(dāng)這些條件不能滿足時(shí)，管道應(yīng)力分析結(jié)果不合格，就必須通道改變管道布置及支吊架形式和位置，最終達(dá)到安全評(píng)定的要求。例如，上述模型當(dāng)應(yīng)力分析條件不滿足時(shí)，采用AutoPIPE程序進(jìn)行模擬分析結(jié)果不合格，如圖6所示。

通過綜合調(diào)整優(yōu)化高溫高壓管道規(guī)格、材料屬性、管道布置及模支吊架形式和位置等，管道應(yīng)力分析結(jié)果合格，達(dá)到安全評(píng)定的要求。

（三）管道應(yīng)力分析應(yīng)用

以江蘇興化垃圾焚燒電廠項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目額定垃圾處理能力350t/d、額定蒸發(fā)量30t/h，主蒸汽管道使用壓力4.0 MPa、溫度400 ℃ ，投產(chǎn)使用效果良好。其中，主蒸汽管道采用應(yīng)力分析進(jìn)行安全評(píng)定后運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行3年，無泄漏、無爆管、無變形，這也成為公司典型性示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目高溫高壓管道總裝實(shí)例，如圖7所示。

五、 結(jié)語

綜上所述， 經(jīng)過不斷總結(jié)、歸納、優(yōu)化高溫高壓管道應(yīng)力分析，通過選取管道材料，調(diào)整管道跨距計(jì)算布置以及支吊架，并采用AutoPIPE軟件安全判定的方法，可有效提高安全生產(chǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)約材料，達(dá)到高溫高壓管道的安全使用標(biāo)準(zhǔn)。

企業(yè)仍然會(huì)持續(xù)性投入，進(jìn)一步研究高溫高壓管道應(yīng)力分析過程中的控制策略及方法，充分發(fā)揮管道應(yīng)力分析在垃圾焚燒電廠的作用，在提高產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，降低現(xiàn)場維修的概率，實(shí)現(xiàn)生活垃圾發(fā)電廠高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡介：李復(fù)生（1985），男，山東省青島市人，本科，中級(jí)工程師。研究方向?yàn)樯罾贌l(fā)電、壓力管道、余熱鍋爐、污泥焚燒等環(huán)保工程的設(shè)計(jì)和調(diào)試。