一種新型管道吹掃靶板固定器的設(shè)計計算制作方法

蘇弘杰

中國化學(xué)工程第四建設(shè)有限公司 湖南岳陽 414000

汽輪機廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)和火力發(fā)電行業(yè)。汽輪機以鍋爐產(chǎn)生的蒸汽為動力，通過管道將擁有一定溫度和壓力的蒸汽輸送給蒸汽透平，在蒸汽的作用下，汽輪機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，通過連軸帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電或帶動壓縮機等工業(yè)設(shè)備工作，將熱能轉(zhuǎn)化成電能、機械能。其中在蒸汽管道安裝環(huán)節(jié)，管道在經(jīng)過焊接、水壓試壓等工序后，管內(nèi)會殘留有鐵銹、焊渣等雜質(zhì)，如果這些雜質(zhì)被帶入高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機，汽輪機將因振動值超標而停車，更嚴重的將直接損壞汽輪機轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子甚至整個汽輪機面臨更換，對企業(yè)造成極大的經(jīng)濟損失。于是規(guī)范要求蒸汽機組在投用前，必須進行蒸汽打靶吹掃，并經(jīng)靶板痕跡檢測合格。因此研發(fā)一種使用安全、節(jié)約用材、操作輕便、靶板驗收質(zhì)量俱佳的靶板固定器，將對未來石化、電力工程建筑行業(yè)，管道的蒸汽吹掃工作帶來很大效益。

1 傳統(tǒng)靶板固定器的分析

傳統(tǒng)的靶板固定器如圖1 所示，一般進行單頭固定，制作體積大，使用不方便。前幾年也出現(xiàn)過輕便的箭型靶，但吹掃過程插口處漏氣，存在一定安全隱患，基本還是使用單頭固定式靶板固定器。傳統(tǒng)靶板固定器如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)靶板固定器

傳統(tǒng)靶板固定器常選用如槽鋼等型材制作靶架，由于靶架單頭固定，為增加強度，固定端側(cè)需焊接筋板補強，補強后的靶架再穿入套管，伸進吹掃主管。為滿足安裝要求，需要選用大口徑的套管，套管的連接法蘭、盲板與之匹配，規(guī)格也隨之增大，經(jīng)分析主要存在3 個缺點：

（1）靶板固定器制作過程耗時耗材，制作完成后重量大，每次更換靶板時，至少需要3 人才能完成工作。法蘭規(guī)格大，螺栓數(shù)量多，每次拆卸靶架和吹掃過程螺栓熱緊時，都需要耗費較長的時間。

（2）靶板固定器單頭固定設(shè)計，巨大的吹掃壓力以及蒸汽流動不穩(wěn)定產(chǎn)生的靶架振動，增加了靶架斷裂的可能，且靶架筋板加強的分界位置，也是應(yīng)力集中區(qū)，更加大了斷裂的可能。實際操作過程中，常有吹斷的現(xiàn)象發(fā)生，吹斷的傳統(tǒng)靶板固定器靶架如圖2 所示。

圖2 吹斷的傳統(tǒng)靶板固定器靶架

（3）由于靶板的固定螺栓位置位于吹掃面上，對靶板吹掃效果的檢驗產(chǎn)生影響，從而降低管道蒸汽吹掃的驗收質(zhì)量。

2 新型靶板固定器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對傳統(tǒng)靶板固定器的缺點進行充分分析后，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，新型靶板固定器設(shè)計效果如圖3 所示。

圖3 新型靶板固定器設(shè)計效果圖

新型靶板固定器在蒸汽吹掃過程中，由于需要多次拆卸靶板固定器，因此保留傳統(tǒng)靶板固定器可拆卸的法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)。其次，為實現(xiàn)靶板固定器的輕量化，新型靶板固定器取消加強筋板和型鋼，靶架直接用條形鋼板制作，套管管徑以及配套的密封法蘭、盲板規(guī)格也隨之減小。再次，為避免靶架因剛性不足而發(fā)生的斷裂問題，新型靶板固定器采用靶架兩端固定的方式。靶架一端與盲板焊接固定，另一端通過焊接鋼板上的擋塊固定，擋塊與靶架之間接觸緊密，吹掃溫度上升后，靶架與擋塊過盈配合，產(chǎn)生更加牢固的固定。最后，為提高管道蒸汽吹掃的驗收質(zhì)量，新型靶板固定器兩側(cè)焊接套管，靶板長度大于吹掃主管內(nèi)徑，靶板直接延伸進兩側(cè)套管內(nèi)，靶板固定螺栓同步放置在套管內(nèi)。設(shè)計優(yōu)化后，消除了有效吹掃面上固定螺栓的阻礙，也消除了檢測盲區(qū)。

3 新型管道吹掃靶板固定器的分析計算

不同汽輪機有著不同的工藝設(shè)計條件，蒸汽管道的溫度、壓力等工藝因素也不同，為滿足不同吹掃條件下靶板固定器的經(jīng)濟性和適用性，需對材料的選用和部件的受力進行分析，使其結(jié)構(gòu)尺寸和材料力學(xué)性能滿足安全使用要求。

3.1 靶板固定器的材料選用

靶板固定器由鋼板、鋼管加工制作而成，板材和管材材質(zhì)的選擇與吹掃蒸汽的溫度有關(guān)。鋼材使用溫度上限值如表1 所示。不同材料的使用上限溫度，靶板固定器材料可參照表1 進行選擇。

表1 鋼材使用溫度上限值

3.2 靶板固定器各部件的分析計算

3.2.1 靶架的分析計算

（1）靶架長度：新型靶板固定器剖面圖如圖4 所示，靶架的長度計算見式（1）。

圖4 新型靶板固定器剖面圖

式中：L——靶架長度；

L1——單邊套管長度；

L2——法蘭、盲板加墊片的厚度；

D——臨時吹掃主管外徑。

式中多出10mm，使靶架鋼板穿透法蘭盲板，雙面角焊縫焊接，焊腳尺寸8mm。

（2）靶架寬度：靶架寬度與靶板寬度相同，等于8%的蒸汽管道內(nèi)徑，見式（2）。

式中：W1——靶板寬度；

W2——靶架寬度；

t1——臨時吹掃主管壁厚；

D——臨時吹掃主管外徑。

（3）靶架厚度：吹掃過程中，在吹掃溫度下，靶架受到持續(xù)穩(wěn)定的壓力，為確保靶架不被吹斷，靶架所受的壓力應(yīng)小于吹掃溫度下材料的許用剪切應(yīng)力，許用剪切應(yīng)力等于0.8 倍的許用應(yīng)力。計算式見式（3）。

式中：［σ］tb——吹掃溫度下板材的許用應(yīng)力；

［σ］jt——吹掃溫度下板材的許用剪切應(yīng)力。

吹掃過程中，靶架受力分析如圖5 所示。

圖5 靶架受力分析圖

靶架所受壓力計算見式（4）—（6）。

式中：F——靶架所受壓力；

P——管道吹掃壓力；

S——靶板的有效受力面積；t1——臨時吹掃主管壁厚；

W2——靶架寬度；

D——臨時吹掃主管外徑。

注：管道是圓形，受弧度影響，S實際值小于W2×（D-2t1）。

經(jīng)計算可得，靶架所受壓力：F=0.08P（D-2t1）2。

靶架所受應(yīng)力計算見式（7）—（8）。

式中：t2——靶架厚度；

Sj——靶架截面積。

因此靶架的計算厚度：t2=，靶架的實際選用厚度不得小于計算厚度t2。

3.2.2 套管的分析計算

（1）套管管徑：套管管徑大小與靶架大小有關(guān)，要確保靶架能自由穿入。靶板厚度6mm，靶板固定螺栓采用單頭螺栓，規(guī)格M12，螺母厚度10.8mm，螺母位于靶板背側(cè)，螺桿一端露絲扣2 個，約5mm。套管截面圖如圖6 所示，相關(guān)計算見式（9）—（10）。

圖6 套管截面圖

式中：D1——套管外徑；

D——臨時吹掃主管外徑；

t1——臨時吹掃主管壁厚；

t2——靶架壁厚；

t3——套管壁厚。

計算可得，套管的管徑D1＞33.6+2t3+t2，且D1＞0.08D-0.16t1+2t3。

（2）套管長度：套管長度越短越好，但需滿足相鄰兩焊縫之間的距離要求，具體參照表2 要求選取。

表3 系數(shù)Y值

（3）套管壁厚：套管的壁厚可參照蒸汽管道設(shè)計圖紙選用，如設(shè)計圖紙沒有此規(guī)格的管道信息，其壁厚按式（11）—（13）進行計算。

式中：Cg——管道厚度附加量之和，mm；

C1g——管道厚度減薄附加量，包括加工、開槽和螺紋深度及材料厚度負偏差，mm；

C2g——管道腐蝕或磨蝕附加量，mm；

D1——套管外徑，mm；

ts——直管計算厚度，mm；

tsd——直管設(shè)計厚度，mm；

Ejg——套管焊接接頭系數(shù)；

P——管道吹掃壓力，MPa；

Y——系數(shù)；

［σ］tg——吹掃溫度下管材的許用應(yīng)力。

材料許用應(yīng)力［σ］t可以通過查詢資料獲得。

由于管道吹掃靶板固定器僅于蒸汽吹掃時使用，可不考慮腐蝕或磨蝕附加量C2g，選用無縫鋼管制作，Ejg=1，故套管的設(shè)計壁厚

3.2.3 焊接封板的分析計算

焊接封板的厚度計算見式（14）—（15）。

式中：tm——焊接封板計算厚度，mm；

dG——凹面或平面法蘭墊片的內(nèi)徑或環(huán)槽式墊片平均直徑，mm；

P——管道吹掃壓力，MPa；

［σ］tb——吹掃溫度下鋼板的許用應(yīng)力；

Ejb——鋼板焊接接頭系數(shù)；

tpd——焊接封板的設(shè)計厚度，mm；

C1b——鋼板厚度減薄附加量，mm；

C2b——鋼板腐蝕或磨蝕附加量，mm。

由于管道吹掃靶板固定器僅于蒸汽吹掃時使用，且實際選材時，可實測鋼板厚度，故可不考慮C1b、C2b，采用整塊鋼板制作，Ejb=1，故焊接封板設(shè)計厚度tpd=0.433dG√（P/［σ］tb）。

3.2.4 擋塊的分析計算

擋塊在吹掃過程中，主要起穩(wěn)定靶架的作用，防止由于吹掃蒸汽不穩(wěn)定而導(dǎo)致的靶架振動。因此受力不大，擋塊厚度可根據(jù)制作時的具體情況自行選擇。

3.2.5 法蘭、盲板的分析計算

法蘭采用帶頸對焊法蘭；法蘭、盲板的公稱直徑與套管相同；法蘭焊接邊緣的壁厚等級與套管壁厚等級相同；磅級可參照蒸汽管道圖紙選用，也可根據(jù)吹掃壓力、吹掃溫度以及對應(yīng)的法蘭材質(zhì)，參照《鋼制管法蘭（Class 系列）》（HG/ T 20615-2019）第7.0.2 條對應(yīng)表格內(nèi)選擇磅級。

4 新型靶板固定器的注意事項及制作流程

靶板固定器的尺寸計算完成后，現(xiàn)場選取邊角材料進行切割打磨加工，加工完成后再進行點焊拼裝，最終焊接完成。

（1）制作時要注意焊縫的焊接質(zhì)量，尤其是套管與吹掃主管連接的對接角焊縫，主管的開孔尺寸、焊縫的焊腳尺寸均要滿足要求，否則焊縫位置易產(chǎn)生泄漏，從而產(chǎn)生安全隱患。靶板固定器焊接后，焊縫同吹掃主管一起，按比例進行無損檢測。套管焊縫剖面如圖7 所示。

圖7 套管焊縫剖面圖

（2）制作過程必須保證靶架穿過吹掃主管的管中心，否則因靶板有效吹掃面積不足，而降低驗收質(zhì)量，對后續(xù)汽輪機平穩(wěn)運行造成隱患。

（3）為使擋塊起到牢固的固定作用，制作過程先完成法蘭盲板側(cè)安裝，再進行擋塊側(cè)安裝，且靶架與擋塊必須相互接觸無間隙。吹掃受熱后，靶架與擋塊產(chǎn)生熱膨脹，從而產(chǎn)生過盈配合，靶架得以更固定的牢固。

新型靶板固定器制作流程見圖8。

圖8 新型靶板固定器制作流程

5 效益分析

新型靶板固定器，用條形鋼板代替型材，取消加強筋板，經(jīng)計算只需2 至4 寸的套管即可滿足幾乎所有工況條件下蒸汽管道的吹掃要求，大大節(jié)省制作用材，節(jié)約制作成本。由于新型靶板固定器小巧輕便，吹掃完成后可拆除重復(fù)使用，進一步降低成本。

傳統(tǒng)靶板固定器使用過程中，至少需要3 人才能完成靶板的更換，且連接螺栓數(shù)量多，可達20 套甚至更多，拆卸靶架、螺栓熱緊時耗時長。新型靶板固定器小巧輕便，僅需1 人即可完成靶板更換工作，螺栓數(shù)量僅4 到8 套，大大縮短了螺栓拆卸和熱緊時間，降低人力成本。

新型靶板固定器將螺栓設(shè)計至兩端套管內(nèi)，使得靶板有效吹掃面上無任何其他干擾設(shè)施，無檢測盲區(qū)，提高驗收質(zhì)量，提升驗收效率。

6 結(jié)論

優(yōu)化設(shè)計后的新型靶板固定器已在多個項目實踐，均安全出色地完成蒸汽吹掃任務(wù)，至今未發(fā)生任何質(zhì)量事故。此發(fā)明在未來石化、電力工程建筑領(lǐng)域，管道蒸汽吹掃工序可以發(fā)揮重大作用。