汽轮机主蒸汽管道的应力分析与配管设计
孙焕青;张珍年
【摘 要】通过总结瑞星合成氨原料路线改造工程施工图中高温高压主蒸汽管道的配管设计和应力分析计算，对比了原配管模型和改进后的配管模型的应力分析计算结果，得出改进后的配管设计及其支吊架的选择和设置更为合理、安全、可靠。最后，介绍了弹簧支吊架的选型。%By summarizing the pipe routing design and stress analysis of the main steam pipeline of high temperature and press in the transmission project of Rui Xing ammonia synthesis raw material route, and contrasting the stress analysis results of the original piping design model with the improved model, it showed that the improved model and tting of pipe supports and hangers was more reasonable, safe and reliable. Finally, the lection was introduced. and the lection of spring hanger
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2012(040)011
卢钦
【总页数】4页(P164-167)
【关键词】配管设计;应力分析;高温高压;弹簧
【作 者】孙焕青;张珍年
【作者单位】中国航天一院航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司,甘肃兰州730000;中国航天一院航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司,甘肃兰州730000
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ055.8
Abstract:By summarizing the pipe routing design and stress analysis of the main steam pipeline of high temperature and press in the transmission project of Rui Xing ammonia synthesis raw material route，and contrasting the stress analysis results of the original piping design model with the improved model，it showed that the improved model and the lection and tting of pipe supports and hangers was more reasonable，safe and reliable.Finally，the lection of spring hanger was introduced.
Key words:pipe routing design;stress analysis;high temperature and press;hanger
在化工装置的设计中，配管设计以及支吊架的设置与选择是否合理，对化工厂的生产保证、安全运行和施工安装都将产生较大的影响，因此，必须将管道的设计与计算向国内外先进水平靠拢，特别是高温高压管道的设计，更应以应力分析计算为依据［1］。管道应力分析是管道设计的基础，它研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，对管道的安全性进行评价，使设计的管道尽可能经济合理［2］。
化工厂汽轮机的主蒸汽管道为高温高压管道，其性能状况直接影响机组的安全运行。管道支吊架作为管道系统中的一个重要组成部分，它对管道起着承受荷载、限制位移和控制振动等作用。设计时，合理布置和正确选择可靠的支吊架;安装时，严格按照设计要求定位和装配;使用时，对出现问题的失效支吊架及时调整，对于确保管道和设备安全运行及延长使用寿命有着很大的影响［3］。
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管道实际运行状态往往偏离理论设计状态，其主要原因有以下几点:
(1)管道理论计算中忽略的因素使管道存在设计偏差。文明精神野蛮体魄
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(2)管道和支吊架在安装过程中存在施工偏差。
(3)管道长期运行后，由于管道自重而发生下沉。
(5)支吊架长期受腐蚀后活动部件被锈蚀、卡阻失去功能，影响管道的热位移。
(6)支承荷载的弹簧发生应力松弛，承载能力下降，导致弹簧压紧、管道下沉。
以上因素均会改变管系受力及支吊架承载的分配，加大部分管段的局部变形，导致局部应力的产生，使得管系的局部应力增大甚至超过管材的许用应力，此外，与管道相联的设备接口处推力和力矩也会大幅度提高，造成管道局部和设备接口处提前损坏和失效，从而缩短管道的剩余使用寿命，严重影响管道的安全经济运行。
本文结合瑞星合成氨原料路线改造工程施工图中高温高压主蒸汽管道的配管设计和应力分析计算，探讨了汽轮机主蒸汽管道的配管设计、支吊架的合理选择以及弹簧的选型。对于汽轮机蒸汽管道的配管以及支吊架的设置具有一定的参考意义。
我们承担的瑞星30万吨合成氨原料路线改造工程施工图中原配管设计见图1。管道内介质
为高压蒸汽，操作温度为515℃，设计温度为530℃，操作压力为8.83 MPa，设计压力为9.8 MPa，管道规格为DN200，壁厚SCH160，腐蚀裕度为1.5 mm，管道材质为12Cr1MoVG，保温容重200 kg/m3。汽轮机管口位移由厂家提供。
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1.1 力学模型的处理
阀门、法兰在CAESAR II程序中用刚性体来代替，并在Pipedata中查出阀门、法兰的重量。以前应力计算时，设备的进出管口均认为是固定的［1］，这样计算出来的结果是不可靠的。我们应将管口的位移计算出来。对于含有裙座的设备而言，裙座的位移可参考文献［4］计算。对于该例而言，汽轮机管口位移由厂家提供，无需计算;消音器端未做成固定架，故将消音器也用刚性体来替代，并输入相应的重量。
1.2 计算结果及其分析
原配管应力计算模型如图2所示。其中，数字100、150、250、1450、1700、1800、2050、2300、2550、3100为模型中的节点号，1700代表汽轮机管口，50代表固定端，2850代表带导向的刚性支架，其它节点代表刚性支架。
首先我们的计算结果要满足厂家的要求，然后再根据NAMESM23标准校核汽轮机管口各个方向的力和力矩。
汽轮机型号为5EMXH－8，汽轮机管口的计算方法和检验标准如下:
(1)当接管公称直径Dnom≤0.2 mm，当量直径:
(2)当接管公称直径Dnom＞0.2 mm时，当量直径:
(3)作用在接管法兰处的合力和合力矩应符合:
由此可以计算出汽轮机管口的受力条件应该满足:
原配管应力计算模型计算出操作工况下汽轮机管口N1700 (N1700代表节点1700)的受力值见表1。
由表1中的计算结果可以看出，汽轮机管口的受力条件不符合汽轮机厂家的要求。
根据NAMESM23标准校核汽轮机管口各个方向的力和力矩，校验结果如表2所示。
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综上，由表1和表2中的计算结果可以看出，原配管应力计算模型计算出操作工况下汽轮机管口的力和力矩既不符合汽轮机厂家的要求，也不能通过NAMESM23标准的校核，故该配管设计和支吊架的设置不可行。
由原配管模型的计算结果可以看出，汽轮机管口在X方向上的力远大于NAMESM23标准中的许用值，在X、Y、Z三个方向上的力矩值也远大于NAMESM23标准中的许用值。结合现场设备及管道布置的实际情况，我们对原配管设计进行了改进，改进后的方案见图3。
改进后的配管应力计算模型如图4所示。其中，数字的意义同前，1700仍代表汽轮机管口，1000、1350、1550、2750为弹簧支架节点号。950、1200代表带限位的刚性支架，150、2200代表带限位和导向的刚性支架，2500代表带导向的刚性支架，其它节点代表普通刚性支架。
孔子父母改进后配管应力计算模型计算出操作工况下汽轮机管口N1700(N1700代表节点1700)的受力值见表3。
