大型汽轮机管道应力分析

石油化工设计PETROCHEMICALDESIGN大型汽轮机管道应力分析赵洪亮中国石化工程建设有限公司，北京100101摘要为了解决大型汽轮机管道布置问题，基于某大型催化裂解装置汽轮机管道应力分析过程，阐述了汽轮机管道应力分析安全评定方法、大型汽轮机管道布置方法、管道支架设置原则、汽轮机管道应力分析工况组合。通过管道应力分析解决了大型汽轮机管道布置问题。关键词汽轮机管道应力分析管道支架伴随装置的大型化，管道布置、应力分析产生诸多问题。汽轮机管道应力分析，作为较难解决问题之一，在装置大型化的过程中变得尤为突出。某220万TA催化裂解装置，是目前国内最大的催化裂解装置，采用汽轮机机型是国内炼油装置中规模最大的机组正常工况功率12170KW。由于产汽量的增大，导致此背压式汽轮机功率增大，汽轮机进汽管道、排汽管道管径随之急剧增大。常用的管道布置方案已经无法满足此装置汽轮机允许受力要求。1汽轮机管道应力分析安全评定在汽轮机管道应力分析中，计算结果必须同时满足管道自身的应力要求、汽轮机管嘴允许受力要求，除此之外，还需考虑便于实现施工质量验收和规范要求。汽轮机是常见的转动机器，当所连接管道膨胀或者收缩时，对其产生作用力。管道作用于转动机器的荷载过大时，将造成转动轴的不对中、转子与定子之间的间隙改变，引起机器的磨损和振动，影响机器的正常运行，因此必须对管道作用于转动机器的荷载加以限制。11管道应力评定保证管道自身安全在管道应力分析中，根据产生的应力荷载不同，将其划分为一次应力和二次应力，并应满足1持续荷载作用下一次应力的校核条件。管道因压力、重力和其他持续荷载产生的纵向应力之和，不应超过材料在预计最高温度下的许用应力。2位移荷载引起的二次应力校核条件。计算最大位移应力不应超过许用位移应力范围。12汽轮机允许受力限制保证机器安全对于汽轮机，其允许受力一般按照美国电气制造商协会标准NEMASM23来核算。具体要求如下如图1所示，NEMASM23中的坐标约定是转动轴方向为方向，垂直向上为，。行图1NEMASM23中的坐标系不意1作用于汽轮机任一管嘴上的合力及合力矩应满足下列条件09144FRMR426689D式中F单个管嘴的上的合力，N；单个管嘴上的合力矩，NM；D当量直径，MM；当公称直径DN不大于200时，DDN；当公称直径DN大于200时，D400DN3。收稿日期20140715。作者简介赵洪亮，男，2005年毕业于中国矿业大学北京工程力学专业，X学学士，工程师，从事管道应力分析工作。联系电话01084878683；EMAILZHAOHONGLIANGSEIOLNCN2015年第3期第32卷赵洪亮大型汽轮机管道应力分析332作用于进、排汽管嘴的力和力矩，折算至排汽口中心处，应符合2个条件合力和和力矩应满足以下条件06096FCC13345DC式中F进汽口和排汽口的合力，N；进汽口和排汽口的合力矩，NM；D按公称直径计算得到的管嘴面积之和的当量直径，MM；当各管嘴面积之和折算成圆形的折算直径不大于230MM时，D折算直径；当大于230MM时，D460折算直径3；和峨在、Y、Z方向上的分力和分力矩应满足以下条件LCXI8756DCICXI13345DCIFCYL21891DCLCYI6672DCICZLL7513DCLCZL6672DC式中FC、FC、FFC在、Y、Z方向上的分力，N；CX、CY、CZC在X、Y、Z方向上的分力矩，NM。NEMASM23是对机器制造厂的最低要求，由技术协议确定。汽轮机所能承受的外力和力矩决定配管设计的难易的关键因素。一般情况下，汽轮机技术协议将汽轮机的允许受力力矩扩大到NEMASM23标准的2倍，本文论述的汽轮机嘴子允许受力为此值。13便于实现施工质量验收规范要求与转动机器连接的管道，及其支、吊架安装完毕后，应卸下接管上的法兰螺栓，在自由状态下所有螺栓应能在螺栓孔中顺利通过。当设计文件或产品技术文件未规定时，法兰密封面的平行度和同心度允许偏差不应超过表1的规定。表1法兰连接质量的允许偏差管道与机器的连接法兰应进行最终连接检查。检查时，应在联轴器上架设百分表监测位移，松开和拧紧法兰连接螺栓进行观测，其位移值应符合下列规定1转速大于6000RMIN时，位移应小于002MM；2转速为30006000RMIN时，位移应小于005MM。为使施工便于实现以上要求即调零过程，对汽轮机进行管道应力分析时，不仅应使操作状态下管嘴满足受力要求，还应使安装状态下管道对管嘴的作用力尽量趋于零，且安装状态下放开嘴子约束计算位移较小。精确模拟管嘴对应法兰、假管支架等；在不影响各种工况受力前提下，设置导向或者限位支架；还需要在管嘴附近管道上设置可调式支架如弹簧，并且要有一定行程裕量。汽轮机管道不宜进行冷紧，冷紧后不能满足施工规范要求。本装置汽轮机转速为3510RMIN，从表1可读出法兰允许偏差平行度015MM；同心度050MM2汽轮机基本设计参数以及应力分析难点21基本参数表2列出汽轮机管嘴、管道等参数；表3列出汽轮机管嘴操作工况附加位移；进汽口管道材质为20G、保温厚度120MM、密度200KGM；排汽口管道材质为L245，保温厚度90MM、密度200KGM。表2汽轮机管嘴、管道等参数管嘴名称管嘴大小外径壁厚操作温度操作压力MPA表3管嘴操作工况附加位移Z为转动轴方向22本装置汽轮机相关管系应力分析难点此汽轮机是目前炼油装置中规模、功率最大的背压式汽轮机，管嘴、管道公称直径也是目前同类设备中最大的之一。图2是根据12节中关于NEMASM23当量直径计算方法，确定的公称直径与当量直径管系。当嘴子公称直径大于200以后，当量直径增加趋缓，也就是说机器单个嘴子各石油化工设计2015年第3期第32卷个方向允许值增量减小，管道布置相似前提下，嘴子越大，校核越困难。吕U皿删图2公称直径和当量直径关系由于汽轮机功率变大，机器底座变高，入口管嘴距离地面变高；管嘴距离零位移点距离变大，附加位移大。常规催化装置布置方案都是将压缩机厂房远离管廊，从而增加管系柔性，减小中压蒸汽总管对汽轮机管嘴的影响。然而伴随装置大型化，总占地面积并未相应比例增加，本装置压缩机厂房紧靠管廊，致使中压蒸汽总管对汽轮机进汽口管道产生较大影响。3管道布置解决方案31进汽口管系由于上述22节装置大型化带来的应力分析困难，汽轮机入口管系常规布置方案图3已经无法满足嘴子受力要求。具体表现为竖向荷载较大，垂直于转动轴方向弯矩偏大，无法通过NEMASM23单个管嘴校核。图3汽轮机常规布置进汽口管系注TA一1、TA一2均为进汽口最终汽轮机进汽口管系确定为图4所示布置方案。为降低管廊上中压蒸汽总管对管嘴受力的影响，管廊和汽轮机之间管道设置膨胀弯，以确保转动轴垂直方向柔性；增加支管长度，确保管系在转动轴方向柔性。将落地阀组抬高到平台上，削弱机器底座较高带来的影响。入口管系设置多个大行程弹簧支架，确保机器管嘴在各工况下受力较小，同时减小水平摩擦力；将放空管布置的足够柔，避免各个工况下影响机器管嘴受力；在阀组两侧设置刚性支架，减小阀组质量误差对管嘴造成影响；为减小刚性支架摩擦力影响，底部设置聚滑板。图4最终汽轮机进汽口管系32排汽口管系对于排汽口管道图5，采用了设置波纹管膨胀节的办法降低管道对管嘴的作用力；机器下部管道设置大行程弹簧削弱汽轮机底座变高带来的影响；假管支架需要严格模拟，以便满足施工规范要求13节；需要确认弹簧安装空间、膨胀节安装空间；增大放空管与排安全阀管道柔性，适当位置设置止推支架，以降低其在各个工况下对管嘴受力影响。电动阀安装在立管，执行机构较重，由于此处位移向下，与制造商沟通后，因此在执行机构下设置了弹簧支架，确保阀杆安全，降低执行机构对管嘴产生影响。图5汽轮机排汽口管系注T为排汽口33汽封冷却管系汽封冷却器基础落地或放置于平台上，可认为是固定点。汽封冷却器若落地设置，则需和汽轮机保持一定距离，避免管道膨胀对汽轮机产生严重影响。若水平管道较长，则需要进行详细分析。由于本装置汽封冷却管系布置柔性较好，在此不再赘述。2015年第3期第32卷赵洪亮大型汽轮机管道应力分析354工况组合分析41汽轮机进汽口管系工况汽轮机进汽口管系由进汽管道、放空管道组成。在开工初期进行暖管，需要先将蒸汽排到大气中，此时整个管系按照全热考虑；待汽轮机运行正常时，放空管停止工作，此时放空管从阀门后到消音器按常温考虑。42排汽口管系工况排汽口管系由排汽管道、放空管道、安全阀管道组成。开工初期，蒸汽通过汽轮机后排人大气，即排汽管道从管嘴到阀门、放空管道按全热考虑，安全阀管道为常温；汽轮机运行正常时，排汽管道整体正常工作，阀到消音器的放空管道为常温；若事故工况，安全阀起跳，则考虑安全阀管系、排汽管道工作。需减小各个工况管嘴受力，以保证汽轮机在各工况下安全运行。5校核结果分析51管道自身应力评定汽轮机进汽管系一次应力最大值为允许值的601；排汽管系一次应力最大值为允许值的468。汽轮机进汽管系二次应力最大值为允许值的7O4；排汽管系二次应力最大值，为允许值的797。满足管道自身安全评定要求。52汽轮机管嘴受力校核由于汽轮机在管道安装后需要进行调零，因此进行NEMA校核的时候校核各工况对应纯热态工况EXP受力。1单独校核。汽轮机入口2个管嘴、出口1个管嘴受力需单独校核，在开工工况、正常操作工况、事故工况均通过校核。表4简单描述正常操作工况管嘴校核状态其中百分数为合力与和力矩组合值，占允组合许值的比例，满足12节1校核要求。表4单个管嘴校核结果管嘴单个管嘴校核结果进汽口TA一1进汽口TA一2排汽口7735756814662总体校核。对开工工况、正常运行工况、事故工况分别进行总体校核，均满足12节2校核要求。53便于实现施工质量验收规范要求在安装状态下，各个管嘴受力见表5，受力较小；安装状态，管嘴自由时，位移值见表6，位移较小，管道施工过程若其他误差较小，通过调整弹簧支架来满足施工规范要求。表5安装状态下各嘴子受力Z为转动轴方向6结语综上所述，汽轮机管道应力分析，需要配管专业与应力分析专业工程师进行大量相互沟通，综合考虑各方面因素，最终确定方案。汽轮机管道走向尽量简洁、有效满