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1、1空分装置中压蒸汽管道的设计空分装置中压蒸汽管道的设计3 热应力分析与管道设计的优化热应力分析与管道设计的优化通过对管道应力的分析，可以发现配管存在的问题，从而优化管道设计。下面介绍在设计汽轮机中压蒸汽管道时，怎样应用应力分析软件，对设计的管道进行应力分析，并调整管道走向，增加管系柔性，优化管道设计。管道的应力分析包括一次应力分析和二次应力分析。管道承受持续外载作用产生的应力为一次应力。管道由于热胀冷缩等二次应力荷载的作用而产生的应力为二次应力。一次应力通常用于计算安装载荷。本文重点分析二次应力。按照规定，管道的二次应力 SE不得超过许用应力 SA，即：SESA=1.25SC+0.25Sh式中
2、：SC管子材料在 20时的许用应力，MPa；Sh管子材料在设计温度下的许用应力，MPa。对于选定的碳钢管道，在 20时的许用应力 SC为 113.0MPa，在 370时的许用应力 Sh为 92.0MPa，所以 4.0MPa、370时，碳钢管道的许用应力SA164.25MPa。应力分析步骤：根据管道平面布置，从空分装置界区到汽轮机进口的蒸汽管道很长，先根据经验设置了 5 个固定点，将管道分为 4 部分，每 2 个固定点间为 1 段，再画出三维轴测应力分析图，用应力分析软件 D0271 计算，并将计算的二次应力 SE与 SA进行比较。如果管道的二次应力 SE超过运行温度下碳钢管道的许用应力 SA，
3、则需重新调整管道走向。只有当 SESA且管系对汽轮机管口的推力、力矩等小于汽轮机管口受力限定值（该值由汽轮机厂商提供）时，管系和汽轮机才被认为是安全的。限于篇幅，本文重点分析汽轮机进口与其前一个固定点之间的管段。根据现场按管路最短方式布置，作出了汽轮机进口与前一个固定点之间的管段接点图，如图 1，管道规格为 168.3mm11.0mm（公称直径 DN150） 。由汽轮机厂商提供的进汽管口受力限定值：进汽法兰最大允许位移为X=4.55mm，Y=0.65mm，Z=-4.1mm；最大允许力为：FX=-2.3kN，FY=5.5kN，FZ=4.5kN；最大允许力距为：2MX=3.5kNm，MY=1.6k
4、Nm，MZ=1.6kNm。图 1 优化前管道走向经过应力软件 D0271 计算，管系两端点的力与力矩结果见表 1。表 1 优化前管系端点力和力矩 点北向力 FN/N向上力 FU/N东向力 FE/N北向力矩 MN/NM向上力矩 MU/NM东向力矩 ME/NM 51157.-252.-1557. 503.6560.234. 45-1157.1207.1557.-3888.-1870.-1691.注：上表中点 5 为管道固定点；点 45 为汽轮机蒸汽管口。各点的位移、力矩和二次应力结果见表 2。表 2 优化前管系各点的位移、力矩和二次应力点北向力 FN/N向上力 FU/N东向力 FE/N北向力矩 M
5、N/NM向上力矩 MU/NM东向力矩 ME/NM应力 S/kPa 50.000.000.00503.6560.234.32785. 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
6、.07658.-6629. 1492.55758 203.961.274.901014.-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.-2429.42084 300.49-1.75-1.06 738.4521.-2705.43451. 35-0.22-1.75-0.36-1063. 2795. -2705.20082 40A-0.
7、43-1.73-0.09-1753.2134.-2705.19253. 40A-0.43-1.73-0.09-1753.2134.-2705.31577 40-0.52-1.61-0.01-1673.1870.-2440.28591. 45-0.460.06-0.413888.1870.1691.23077.3注：上表中“点”表示管系中管道的支撑点和转弯点，与图中标注的序号一致。由上述结果得知，应力最大的点是 20 点（弯头） ，为 55.758MPa，小于4.0MPa、370时碳钢的许用应力 164.25Mpa(SA)，因此管道的热应力符合要求。但第 45 点汽轮机蒸汽进口力矩 MX（388
8、8Nm） 、MY（1870Nm）和Mz（1691Nm）均超过限定值，对汽轮机的安全运行构成威胁，因此对管道的走向须作调整。通常，降低刚度可以通过增加膨胀弯或波纹补偿器来实现，由于波纹补偿器价格较高，购买周期长，因此，设计优先选择利用膨胀弯作自然补偿。根据现场位置对图 1 的管道走向进行调整，通过增加弯头来改变管道的柔性，如图 2，将管道自 15 点后向北走 2000mm（通常10xDN） ，向上后再折回。与图 1 比较，增加了 2 个弯头。图 2 优化后管道走向用相同的应力软件计算，管系两端点的力与力矩结果见表 3表 3 优化后管系固定端点力和力矩 点北向力 FN/N向上力 FU/N东向力 F
9、E/N北向力矩 MN/NM向上力矩 MU/NM东向力矩 ME/NM 5663.22.-888. -43. 4538.-48. 55-663.1211.888.-1047.-1510.-660.各点的位移、力矩和二次应力结果见表 4。 表 4 优化后管系各点的位移、力矩和二次应力 点北向力 FN/N向上力 FU/N东向力 FE/N北向力矩 MN/NM向上力矩 MU/NM东向力矩 ME/NM应力 S/kPa45 0.000.000.00-43.4538.-48.22604 101.780.002.8187.557.-48.2871. 101.780.002.8187.557.-48.2871. 1
10、5A3.97 0.015.23-422.-2875-48.14473. 15A3.97 0.015.23-422.-2875-48.23738 154.130.015.29-445.-3230.-25.26629. 204.520.00 5.21-445. -3959. 56.19843. 204.520.00 5.21-445. -3959. 56.19843. 25A4.86-0.015.20-445-4600-20023036 25A4.86-0.015.20-445-4600-20037781 254.970.09 5.21-242.-4803.-129.39293. 30A4.990
11、.495.19 521.-4803.441.24158. 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-
12、0.81-13592341.-1862.16363. 50A-0.34-1.69-0.54-20511962.-1862.16906. 50A-0.34-1.69-0.54-20511962.-1862.27728 50-0.43-1.61-0.41-2125.1810-1710.26741. 55-0.450.06-0.411047.1510.660.10921.注：上表中“点”表示管系中管道的支撑点和转弯点，与图中标注的序号一致。由表 4 结果得知，优化后管系中应力最大的点在 30 点（弯头） ，应力为39.623MPa，小于 4.0MPa、370时碳钢的许用应力 164.25MPa(SA
13、)，因此管道的热应力符合要求。与图 1 计算结果比较，各点的二次应力均减小，管道的设计更加优化。而且第 55 点汽轮机蒸汽进口的力和力矩均小于汽轮机管口限定值，达到管系和汽轮机安全设计要求。4 弹簧支吊架的设置弹簧支吊架的设置通常，热力管道在下列情况下应选用可变弹簧支吊架。1) 由于管道在支撑点处有向上垂直位移，致使支架失去其承载功能，荷载的转移将造成邻近支架超过其承载能力，或造成管道跨距超过其最大允许值。2) 管道在支撑点处有向下的垂直位移，选用一般的刚性支架将阻挡管道的位移。3）选用的弹簧荷载变化率不大于 25%。在图 2 中，根据管道热位移量和现场可以设置（支撑或焊接）弹簧支吊架的位置，
14、确定在第 45 点处设置弹簧吊架，通过计算，该点承受的管道荷重、保5温荷重和介质荷重共 3283N（即工作荷载） 。 第 45 点向下位移为 15.9mm，按可变弹簧支吊架选用说明CD42B5-89 所列弹簧类型，选择弹簧 VS30B9，弹簧刚度为 49.0N/mm。其安装载荷=工作荷载位移量弹簧刚度工作荷载=328349.015.9=2504N荷载变化率=（32832504）/3283=23.7%25%，因此所选弹簧符合要求。5 结束语结束语努力优化设计，在确保安全与正常使用的前提下做到经济合理是设计人员的天职和追求，是设计人员能力水平的提升和价值体现。2005 年 10 月绿源醇业空分装置开车成功，至今已运行了 3 年时间，装置内蒸汽管道运行平稳，说明设计对其材质选择、管道配管和弹簧支吊架的设置等是合理的。
