1、空分裝置中壓蒸汽管道的設(shè)計(jì)3 熱應(yīng)力分析與管道設(shè)計(jì)的優(yōu)化通過對(duì)管道應(yīng)力的分析，可以發(fā)現(xiàn)配管存在的問題，從而優(yōu)化管道設(shè)計(jì)。下面介紹在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)中壓蒸汽管道時(shí)，怎樣應(yīng)用應(yīng)力分析軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的管道進(jìn)行應(yīng)力分析，并調(diào)整管道走向，增加管系柔性，優(yōu)化管道設(shè)計(jì)。管道的應(yīng)力分析包括一次應(yīng)力分析和二次應(yīng)力分析。管道承受持續(xù)外載作用產(chǎn)生的應(yīng)力為一次應(yīng)力。管道由于熱脹冷縮等二次應(yīng)力荷載的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力為二次應(yīng)力。一次應(yīng)力通常用于計(jì)算安裝載荷。本文重點(diǎn)分析二次應(yīng)力。按照規(guī)定，管道的二次應(yīng)力SE不得超過許用應(yīng)力SA，即：SESA=1.25SC+0.25Sh式中：SC管子材料在20時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；Sh管子材料在設(shè)

2、計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。對(duì)于選定的碳鋼管道，在20時(shí)的許用應(yīng)力SC為113.0MPa，在370時(shí)的許用應(yīng)力Sh為92.0MPa，所以4.0MPa、370時(shí)，碳鋼管道的許用應(yīng)力SA164.25MPa。應(yīng)力分析步驟：根據(jù)管道平面布置，從空分裝置界區(qū)到汽輪機(jī)進(jìn)口的蒸汽管道很長(zhǎng)，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置了5個(gè)固定點(diǎn)，將管道分為4部分，每2個(gè)固定點(diǎn)間為1段，再畫出三維軸測(cè)應(yīng)力分析圖，用應(yīng)力分析軟件D0271計(jì)算，并將計(jì)算的二次應(yīng)力SE與SA進(jìn)行比較。如果管道的二次應(yīng)力SE超過運(yùn)行溫度下碳鋼管道的許用應(yīng)力SA，則需重新調(diào)整管道走向。只有當(dāng)SESA且管系對(duì)汽輪機(jī)管口的推力、力矩等小于汽輪機(jī)管口受力限定值（該值由汽

3、輪機(jī)廠商提供）時(shí)，管系和汽輪機(jī)才被認(rèn)為是安全的。限于篇幅，本文重點(diǎn)分析汽輪機(jī)進(jìn)口與其前一個(gè)固定點(diǎn)之間的管段。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)按管路最短方式布置，作出了汽輪機(jī)進(jìn)口與前一個(gè)固定點(diǎn)之間的管段接點(diǎn)圖，如圖1，管道規(guī)格為168.3mm×11.0mm（公稱直徑DN150）。由汽輪機(jī)廠商提供的進(jìn)汽管口受力限定值：進(jìn)汽法蘭最大允許位移為X=4.55mm，Y=0.65mm，Z=-4.1mm；最大允許力為：FX=-2.3kN，F(xiàn)Y=5.5kN，F(xiàn)Z=4.5kN；最大允許力距為：MX=3.5kN·m，MY=1.6kN·m，MZ=1.6kN·m。 圖1 優(yōu)化前管道走向經(jīng)過應(yīng)力軟件D02

4、71計(jì)算，管系兩端點(diǎn)的力與力矩結(jié)果見表1。 表1 優(yōu)化前管系端點(diǎn)力和力矩點(diǎn)北向力FN/N向上力FU/N東向力FE/N北向力矩 MN/N·M向上力矩 MU/N·M東向力矩 ME/N·M51157.-252.-1557. 503.6560.234.45-1157.1207.1557.-3888.-1870.-1691. 注：上表中點(diǎn)5為管道固定點(diǎn)；點(diǎn)45為汽輪機(jī)蒸汽管口。 各點(diǎn)的位移、力矩和二次應(yīng)力結(jié)果見表2。 表2 優(yōu)化前管系各點(diǎn)的位移、力矩和二次應(yīng)力點(diǎn)北向力FN/N向上力FU/N東向力FE/N北向力矩 MN/N·M向上力矩 MU/N·M東向力矩

5、 ME/N·M應(yīng)力 S/kPa50.000.000.00503.6560.234.32785.102.350.002.81-1010.-382234.5502.102.350.002.81-1010.-382234.5502.15A4.33 0.665.23-1034.-6364.234.32132.15A4.33 0.665.23-1034.-6364.234.52700.154.280.825.29-679.-6629.499.54579.20A4.121.22 5.07658.-6629. 1492.33997.20A4.121.22 5.07658.-6629. 1492.5

6、5758203.961.274.901014.-6273.1756.53846.252.360.002.131014.-945.1740.11079.252.360.002.131014.-945.1740.11079.30A0.74-1.67-1.011014.4429.-2429.25659.30A0.74-1.67-1.011014.4429.-2429.42084300.49-1.75-1.06 738.4521.-2705.43451.35-0.22-1.75-0.36-1063. 2795. -2705.2008240A-0.43-1.73-0.09-1753.2134.-2705

7、.19253.40A-0.43-1.73-0.09-1753.2134.-2705.3157740-0.52-1.61-0.01-1673.1870.-2440.28591.45-0.460.06-0.413888.1870.1691.23077.注：上表中“點(diǎn)”表示管系中管道的支撐點(diǎn)和轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，與圖中標(biāo)注的序號(hào)一致。 由上述結(jié)果得知，應(yīng)力最大的點(diǎn)是20點(diǎn)（彎頭），為55.758MPa，小于4.0MPa、370時(shí)碳鋼的許用應(yīng)力164.25Mpa(SA)，因此管道的熱應(yīng)力符合要求。但第45點(diǎn)汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)口力矩MX（3888N·m） 、MY（1870N·m）和Mz（1691N&#

8、183;m）均超過限定值，對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，因此對(duì)管道的走向須作調(diào)整。通常，降低剛度可以通過增加膨脹彎或波紋補(bǔ)償器來實(shí)現(xiàn)，由于波紋補(bǔ)償器價(jià)格較高，購(gòu)買周期長(zhǎng)，因此，設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇利用膨脹彎作自然補(bǔ)償。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置對(duì)圖1的管道走向進(jìn)行調(diào)整，通過增加彎頭來改變管道的柔性，如圖2，將管道自15點(diǎn)后向北走2000mm（通常10xDN），向上后再折回。與圖1比較，增加了2個(gè)彎頭。 圖2 優(yōu)化后管道走向用相同的應(yīng)力軟件計(jì)算，管系兩端點(diǎn)的力與力矩結(jié)果見表3表3 優(yōu)化后管系固定端點(diǎn)力和力矩點(diǎn)北向力FN/N向上力FU/N東向力FE/N北向力矩 MN/N·M向上力矩 MU/N·M東向力

9、矩 ME/N·M5663.22.-888. -43. 4538.-48.55-663.1211.888.-1047.-1510.-660.各點(diǎn)的位移、力矩和二次應(yīng)力結(jié)果見表4。表4 優(yōu)化后管系各點(diǎn)的位移、力矩和二次應(yīng)力點(diǎn)北向力FN/N向上力FU/N東向力FE/N北向力矩 MN/N·M向上力矩 MU/N·M東向力矩 ME/N·M應(yīng)力 S/kPa5 0.000.000.00-43.4538.-48.22604101.780.002.8187.557.-48.2871.101.780.002.8187.557.-48.2871.15A3.97 0.015.23

10、-422.-2875-48.14473.15A3.97 0.015.23-422.-2875-48.23738154.130.015.29-445.-3230.-25.26629.204.520.00 5.21-445. -3959. 56.19843.204.520.00 5.21-445. -3959. 56.19843.25A4.86-0.015.20-445-4600-2002303625A4.86-0.015.20-445-4600-20037781254.970.09 5.21-242.-4803.-129.39293.30A4.990.495.19 521.-4803.441.2

11、4158.30A4.990.495.19 521.-4803.441.39623.304.890.605.09724.-4600.673.38429.352.350.00 1.18724.215.2594.13457.352.350.00 1.18724.215.2594.13457.40A0.73-1.17-1.48724.3280.-1585.18496.40A0.73-1.17-1.48724.3280.-1585.30336.400.50-1.28-1.51447.3331.-1862.31383.45-0.14-1.59-0.81-13592341.-1862.16363.50A-0

12、.34-1.69-0.54-20511962.-1862.16906.50A-0.34-1.69-0.54-20511962.-1862.2772850-0.43-1.61-0.41-2125.1810-1710.26741.55-0.450.06-0.411047.1510.660.10921.注：上表中“點(diǎn)”表示管系中管道的支撐點(diǎn)和轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，與圖中標(biāo)注的序號(hào)一致。由表4結(jié)果得知，優(yōu)化后管系中應(yīng)力最大的點(diǎn)在30點(diǎn)（彎頭），應(yīng)力為39.623MPa，小于4.0MPa、370時(shí)碳鋼的許用應(yīng)力164.25MPa(SA)，因此管道的熱應(yīng)力符合要求。與圖1計(jì)算結(jié)果比較，各點(diǎn)的二次應(yīng)力均減小，管道的設(shè)計(jì)更

13、加優(yōu)化。而且第55點(diǎn)汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)口的力和力矩均小于汽輪機(jī)管口限定值，達(dá)到管系和汽輪機(jī)安全設(shè)計(jì)要求。4 彈簧支吊架的設(shè)置通常，熱力管道在下列情況下應(yīng)選用可變彈簧支吊架。1) 由于管道在支撐點(diǎn)處有向上垂直位移，致使支架失去其承載功能，荷載的轉(zhuǎn)移將造成鄰近支架超過其承載能力，或造成管道跨距超過其最大允許值。2) 管道在支撐點(diǎn)處有向下的垂直位移，選用一般的剛性支架將阻擋管道的位移。3）選用的彈簧荷載變化率不大于25%。在圖2中，根據(jù)管道熱位移量和現(xiàn)場(chǎng)可以設(shè)置（支撐或焊接）彈簧支吊架的位置，確定在第45點(diǎn)處設(shè)置彈簧吊架，通過計(jì)算，該點(diǎn)承受的管道荷重、保溫荷重和介質(zhì)荷重共3283N（即工作荷載）。 第45點(diǎn)向下位移為15.9mm，按可變彈簧支吊架選用說明CD42B5-89所列彈簧類型，選擇彈簧VS30B9，彈簧剛度為49.0N/mm。其安裝載荷=工作荷載位移量×彈簧剛