空分装置中压蒸汽管道的设计.doc

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1、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，对设计的管道进展应力分析，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与二次应力分析。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：SESASCSh式中：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，

2、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，先根据经历设置了5个固定点，将管道分为4局部，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进展比拟。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，那么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

3、与汽轮机才被认为是平安的。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。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：MXm，MYm，MZm。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 优化前管系端点力与力矩点北向力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/NM51157.-252.-1557. 503.6560.2

4、34.45-1157.1207.1557.-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、力矩与二次应力结果见表2。 表2 优化前管系各点的位移、力矩与二次应力点北向力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/kPa5503.6560.234.32785.10-1010.-382234.5502.10-1010.-382234.5502.15A4.33 -1034.-6364.234.32132.15A4.33 -1034.-6364.234.52700.15-679.-662

5、9.499.54579.20A1.22 658.-6629. 1492.33997.20A1.22 658.-6629. 1492.55758201014.-6273.1756.53846.251014.-945.1740.11079.251014.-945.1740.11079.30A1014.4429.-2429.25659.30A1014.4429.-2429.4208430-1.06 738.4521.-2705.43451.35-1063. 2795. -2705.2021240A-1753.2134.-2705.19253.40A-1753.2134.-2705.3157740-1

6、673.1870.-2440.28591.453888.1870.1691.23077.注：上表中“点表示管系中管道的支撑点与转弯点，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MX3888Nm 、MY1870Nm与Mz1691Nm均超过限定值，对汽轮机的平安运行构成威胁，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，购置周期长，因此，设计优先选择利用膨胀弯作自然补偿。根据现场

7、位置对图1的管道走向进展调整，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比拟，增加了2个弯头。 图2 优化后管道走向用一样的应力软件计算，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与力矩点北向力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/NM5663.22.-888. -43. 4538.-48.55-663.1211.888.-1047.-1510.-660.各点的位移、力矩与二次应力结果见表4。表4 优化后管系各点的位移、力矩与二次应力点北向力FN/N向上力FU/

8、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/kPa5 -43.4538.-48.226041087.557.-48.2871.1087.557.-48.2871.15A3.97 -422.-2875-48.14473.15A3.97 -422.-2875-48.2373815-445.-3230.-25.26629.200.00 -445. -3959. 56.19843.200.00 -445. -3959. 56.19843.25A-445-4600-2002303625A-445-4600-20037781250.09 -242.-4803.-1

9、29.39293.30A5.19 521.-4803.441.24158.30A5.19 521.-4803.441.39623.30724.-4600.673.38429.350.00 724.215.2594.13457.350.00 724.215.2594.13457.40A724.3280.-1585.18496.40A724.3280.-1585.30336.40447.3331.-1862.31383.45-13592341.-1862.16363.50A-20511962.-1862.16906.50A-20511962.-1862.2772850-2125.1810-1710

10、.26741.551047.1510.660.10921.注：上表中“点表示管系中管道的支撑点与转弯点，与图中标注的序号一致。(SA)，因此管道的热应力符合要求。与图1计算结果比拟，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与力矩均小于汽轮机管口限定值，到达管系与汽轮机平安设计要求。4 弹簧支吊架的设置通常，热力管道在以下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

11、弹簧荷载变化率不大于25%。在图2中，根据管道热位移量与现场可以设置支撑或焊接弹簧支吊架的位置，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、保温荷重与介质荷重共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 完毕语 努力优化设计，在确保平安与正常使用的前提下做到经济合理是设计人员的天职与追求，是设计人员能力水平的提升与价值表达。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、管道配管与弹簧支吊架的设置等是合理的。第 8 页