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1、第 51 卷第 6 期2014 年 12 月化 工 设 备 与 管 道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGVol. 51 No. 6Dec. 2014汽轮机主蒸汽管道的多工况应力分析赵静一，邢一东，毛炜，陈作强（航天长征化学工程股份有限公司，北京 101111）摘 要：利用管道应力分析软件CAESAR II针对汽轮机主蒸汽管道进行多工况应力分析，通过对操作工况、设计工况、暖管1工况、暖管2工况、安装工况等多种工况进行模拟与计算，得出了汽轮机主蒸汽管道的最恶劣工况为汽轮机冲转前的暖管2工况，该工况的提出与应力分析方法对深入探索汽轮机蒸汽管道的布置具有一定的借鉴意义。关键词：汽轮机
2、；蒸汽管道；恶劣工况；CAESAR II；应力分析中图分类号：TQ 050.2；TH 12文献标识码：A文章编号：1009-3281（2014）06-0062-006汽轮机主蒸气管道具有高温高压的特点，是汽轮机系统的“主动脉”，汽轮机管道设计不合理容易导致重大事故，如汽轮机入口法兰发生泄漏，汽轮机组发生倾斜，甚至对机组造成恶劣损坏，对现场工作人员的生命安全构成严重威胁，因此一直以来受到业主、设备厂家和设计院的高度重视 1-4。汽轮机主蒸汽管道系统存在多种工况 5-6，设计人员往往只关注安装工况和操作工况，即汽轮机未运转时管道和机器都处于常温的冷管冷机状态以及汽轮机正常运转时管道和机器都处于热态
3、的热管热机状态。但是还有一种工况不被人们重视，即汽轮机冲转前，机器近似常温但是管道已经被蒸汽加热的热管冷机状态，这种热管冷机的暖管工况是一种特别重要、特别苛刻的工况。汽轮机多工况的设计安全对汽轮机组的安全性和可靠性具有非常重要的意义，因此本文针对汽轮机主蒸汽管道的多种工况进行应力分析并展开研究。2本案例为国内某 6 Mt/a 合成氨项目，空分采用64 000 m3/h（O ）的大型空分装置，汽轮机组为进口某型号大型凝汽式汽轮机。1 主蒸汽管道的多工况定义首先对本案例中汽轮机主蒸汽管道的多工况进行定义，确定本研究的目标。（1） 操作工况，即汽轮机稳定运行时蒸汽管道的操作温度为 515 ，操作压力
4、（G）9.1 MPa 条件（2） 设计工况，为汽轮机运行时蒸汽管道可能达到的最高温度为 540 ，压力（G）10.3 MPa 设计条件下的工况 ；（3） 暖管 1 工况，即蒸汽在未进入汽轮机速关阀 VSH-220X，而在管道切断阀闸阀 VSH-220P 前通过放空 1 管道放空的工况 ；（4） 暖管 2 工况，即为蒸汽通过汽轮机速关阀VSH-220X 进入到控制阀室调速阀 VSH-220Y 前但尚未进行汽轮机冲转，蒸汽通过放空 2 管道放空的工况；（5） 安装工况，为汽轮机安装时管道与机器都为环境温度 21 ，压力为常压的工况。汽轮机主蒸汽管道工艺流程示意图见图 1，汽轮机主蒸汽管道多工况参数
5、见表 1。表1 汽轮机主蒸汽管道多种工况参数Table 1 Parameter of various load cases序号工况影响因素温度/压力(G)/MPa1操作工况W+D1+T1+P1+H5159.12设计工况W+D1+T2+P2+H54010.33暖管1工况W+T3+P3+H515/219.1/04暖管2工况W+D2+T4+P4+H360/219.1/05安装工况W+P1+H210注：W代表重力，D代表汽轮机管口初始热位移，T代表温度，P代表压力，H代表弹簧。其中需要特别提到的是汽轮机管口初始热位移D 的确定。操作工况下汽轮机管口初始热位移 D1 由收稿日期 ：2013-08-29
6、； 修回日期 ：2014-07-03作者简介 ：赵 静一（1980），男，辽宁锦州人，高级工程师。长下的工况 ；期从事管道设计及项目管理工作。2014 年 12 月赵静一，等.汽轮机主蒸汽管道的多工况应力分析 63 图1 汽轮机主蒸汽管道工艺流程示意Fig.1 PID of the turbine stream pipeline设备厂家提供，并与此同时提供汽轮机管口的许用载荷，这个数据所有设备厂家都会在最原始的设计资料中提供。D2 为在暖管 2 工况下的汽轮机管口的端点热位移，此位移需要与设备厂家沟通，由设备厂家计算得出，不同设备厂家的汽轮机构造不同，其计算结果也不同。应力分析通常按照美国 A
7、SME B31.3 和NEMA SM23 标准校核 7-8，当设备厂家提供设备载荷时，按照设备厂家的许用载荷执行。本案例中设备厂家提供的许用载荷和管口热位移见表 2。表2 汽轮机管口热位移与许用载荷Table 2 Displacements and allowable forces of turbine nozzles序号工况许用合力Fr/N许用合力矩Mr/(N m)许用综合受力Fr+1.1Mr汽轮机管口初始热位移X /mmY /mmZ /mm12操作暖管28 6008 6004 8004 80013 88013 880-7.603.41.7-12.0-5.82 主蒸气管道的多工况应力分析2.
8、1 汽轮机蒸汽管道布置汽轮机主蒸汽管道材料为 12Cr1MoVG，主管直径为 DN350，壁厚为 33 mm ；旁路放空管道直径为 DN50，壁厚 6.5 mm ；汽轮机管口为 DN300，壁厚 29 mm。利用基于有限元的管道应力分析软件 CAESAR II 对管道进行建模，CAESAR II 软件坐标方向与汽轮机坐标方向相同，根据汽轮机主蒸汽管道工艺流程和现场实际情况进行管道布置如图 2。图2 汽轮机主蒸汽管道布置三维轴测图Fig.2 The isometric of the turbine stream pipeline从图 2 中可以看出，蒸汽从管廊界区流向汽轮机管口，为便于应力分析在
9、管廊界区处设置固定支架 ；闸阀 VSH-220P 为蒸汽管道的第一个切断阀 ；闸阀 VSH-220A 为蒸汽管道的第二个切断阀 ；蒸汽最终流入汽轮机管口，在汽轮机管口法兰处连接速关阀VSH-220X。 64 化 工 设 备 与 管 道第 51 卷第 6 期管道经过详细应力分析计算，已对支吊架布置和弹簧形式进行了优化设计，本管道布置方案符合汽轮机蒸汽管道的常规设计要求，通常满足操作工况、安装工况等常规工况的计算要求，但对于暖管工况等特殊工况是否满足，还需要进一步对该管道布置进行深入的多工况分析。蒸汽管道的多工况分析势在必行。2.2 多工况下的汽轮机管道温度区间图，温度是管道应力分析中最重要的影响
10、因素 9 温度区间的变化对汽轮机设备管口受力大小有着直接的影响。汽轮机的管道布置在多种工况下是一致的，支吊架和弹簧形式也是一样的。但是不同工况下蒸汽管道的温度区间分布是不同的，因而不同工况下对汽轮机管口的受力影响也不同。为了进一步理解汽轮机蒸汽管道的多工况，深入地研究多工况下主蒸汽管道的温度区间变化，绘制了汽轮机主蒸汽管道在不同工况下的温度分布图，详细见图 36。由图 36 可见，操作工况下蒸汽由界区通过主管道连续进入汽轮机，管道受热均匀稳定，均为 515 ； 此时放空阀关闭，因此放空阀后管道温度为环境温度。设计工况温度区间分布规律同操作工况，见图 3， 图 4。暖管 1 工况，蒸汽在管道第一
11、个切断阀 VSH- 220P 前通过放空管道暖管放空，因此切断阀 VSH-220P 前管道温度为 515 ，阀后主蒸汽管道为环境温度，见图 5。暖管 2 工况为一种特殊的工况，在第二道切断闸阀 VSH-220A 前，管道在暖管 1 工况的基础上被暖至操作温度 515 ，闸阀 VSH-220A 后的管道通过阀门控制按照压力温度曲线，暖至汽轮机的冲转温度 360 ，此温度下为 9.1 MPa(G) 的过热蒸汽，可以进入汽轮机进行冲转而不会引发水锤， 暖管 2 工况下的管道温度区间见图 6。图3 操作工况下的管道温度区间图Fig.3 The temperature range of the turb
12、ine stream pipeline in operating condition图4 设计工况下的管道温度区间图Fig.4 The temperature range of the turbine stream pipeline in design condition2014 年 12 月赵静一，等.汽轮机主蒸汽管道的多工况应力分析 65 图5 暖管1工况下的管道温度区间图Fig.5 The temperature range of the turbine stream pipeline in warm-up I condition3 结果与讨论3.1 应力分析结果图6 暖管2工况下的管道
13、温度区间图Fig.6 The temperature range of the turbine stream pipeline in warm-up II condition口的受力载荷与设备厂家提供的许用载荷进行比较， 蒸汽管道多工况下汽轮机管口受力计算结果见表 3。从表 3 中可知， 汽轮机蒸汽管道的操作工况、利用管道应力分析软件 CAESAR II 对管道进行详细的多工况应力分析计算，并根据现场的实际条件对支吊架和弹簧的形式进行多次优化，得到了多种工况下汽轮机管口的受力载荷。将多工况下汽轮机管设计工况、暖管 1 工况、安装工况的计算综合受力与许用综合受力的比值结果都是小于 1 的，即综合
14、受力小于设备厂家给定的许用载荷。设备在这样的受力条表3 蒸汽管道多工况下汽轮机管口受力Table 3 Forces and moments of turbine nozzles in various load cases工况Fx/NFy/NFz/NMx/(Nm)My/(Nm)Mz/(Nm)F r/NM r/(Nm)F r+1.1M rF RatioM RatioCombined Ratio操作7805 1442 356-1 338-1 0003 7485 711410310 2250.660.850.74设计6635 8341 7422 9281343 8776 1254 86011 4710
15、.711.010.83暖管11 092-4 005593-4 702-1 295-954 1934 8789 5590.491.020.69暖管2-2 7942 1051 315-639 361-14 9053 73717 60123 0980.433.671.66安装2 274-6 661-3 4823 879-3 205-1 8417 8535 35813 7460.911.120.99注:许用合力为F ，许用合力矩为M ，许用综合受力为F +1.1M ；计算合力F = (F2 + F2 + F2 )1/2；计算合力矩 M = (M2 + M2 + M2 )1/2，计算综合rrrrrxyz
16、rxyz受力为Fr +1.1 Mr；合力比F Ratio=Fr/Fr，合力矩比为M Ratio= Mr/Mr；综合受力比为Combined Ratio= （Fr +1.1 Mr）/(Fr+1.1Mr)。 66 化 工 设 备 与 管 道第 51 卷第 6 期件下，是安全的、可靠的。但是其中需要特别注意的是暖管 2 工况的综合受力占其许用载荷的 1.66 倍，综合力矩为许用载荷的 3.67 倍，这个计算结果已经超过厂家提供的许用载荷，对机器的影响是不利的， 很可能导致汽轮机管口法兰的蒸汽泄漏。通过应力分析计算结果可知，对于本案例汽轮机主蒸汽管道的多种工况而言，最恶劣工况不是安装、操作等常规工况，
17、而是汽轮机冲转前的暖管 2 工况。这是因为安装工况是冷管冷机状态，操作工况是热管热机状态，这两个状态都是人们所普遍熟知的状态。而暖管 2 工况是一种热管冷机状态，是一种容易被人忽视或不认知但又是一种真实存在的工况，是与设计或安装工况的设计思路是一种相矛盾工况，是一种管道柔性设计与受力要求更为苛刻的工况，因此暖管 2 工况为本案例汽轮机主蒸汽管道的最恶劣工况。3.2 优化设计为了保证汽轮机蒸汽管道的多工况设计安全， 对汽轮机管道进行管道布置的优化设计。暖管 2 工况的综合受力超标，主要是因为综合力矩比例太大为3.67，而其直接原因为 Mz 严重超标。此时，仅依靠管道支吊架、弹簧的优化设计已经不能
18、从根本上改变管口受力，且同时满足多工况的受力要求。因此对管道布置进行优化。优化设计思路为改变管道走向以增加管道柔性，由于管道的挠度与水平直管段长度的三次方成正比例 10，又考虑到汽轮机管口受力的敏感性，改变汽轮机管口近端的水平管道长度效果更为明显，现场东西向管道两侧有障碍构筑物，因此决定增加南北向管道长度。优化具体方案为在进入汽轮机管口前的水平管道长度由原来的 5 m 增加到 7 m。图7 管道优化调整方案Fig.7 The optimized piping layout管道布置做出了优化后，通过管道应力分析软件进行计算结果如表 4。表4 管道布置优化方案的多工况汽轮机管口受力Tab.4 Fo
19、rces and moments of turbine nozzles in various load cases on optimized piping layout工况Fx/NFy/NFz/NMx/(Nm)My/(Nm)Mz/(Nm)Fr/NMr/(Nm)Fr+1.1MrFr RatioMr RatioCombined Ratio操作1886 0443 684-3 305-3433 2607 0814 65512 2010.820.970.88设计1686 7173 2131 0364253 8557 4484 01411 8640.870.840.85暖管11 117-4 049-928
20、-7 024-9962 2674 3027 44812 4940.501.550.90暖管2-1 3552 6131 210-2227 539-5 5813 1829 38313 5030.371.950.97安装1 847-6 011-4 9781 180-2 648-1 0818 0203 09411 4240.930.640.82通过表 4 可知，经过管道布置优化后，所有工况的计算综合受力都小于设备厂家的许用综合受力。操作、设计和安装工况的力、力矩都在许可范围内， 尽管暖管工况的许用力矩一项略超，经设备厂家确认后，认为该数据不会对汽轮机管口安全造成影响， 所有工况的设计结果满足要求，汽轮
21、机蒸汽管道多工况设计合理。至此，本文已经充分考虑了汽轮机主蒸汽管道安装、暖管放空、正常操作等多工况的应力分析，确保了各工况下的汽轮机主蒸汽管道的受力满足要求， 实现了设计的本质安全。4 结论与建议（1） 汽轮机主蒸汽管道作为管道系统中最重要的管道之一，应进行详细的多工况应力分析，包括操作工况、设计工况、安装工况和暖管工况。尤其是暖管工况为一种不被重视且相当苛刻的工况。（2） 主蒸汽管道柔性设计时，为了满足包括暖管工况在内的多工况应力分析要求，根据笔者经验， 在靠近汽轮机管口的水平直管段长度应尽可能增长， 同时合理设置弹簧支吊架和限位支架，可达到理想的应力分析效果。（3） 当采用上述方法仍然不能
22、保证多工况应力析结果满足管口受力要求时，应及时与设备厂家进行沟通协商，以便提出行之有效的解决方案。在设计前期，主蒸汽管道的多工况参数，管口初始热位移等重要信息也应与设备厂家确认清楚。综上所述，汽轮机主蒸汽管道应该进行多工况2014 年 12 月赵静一，等.汽轮机主蒸汽管道的多工况应力分析 67 的应力分析，本案例中暖管工况为最恶劣工况，在其他类似项目中应该给予充分重视，本案例的管道优化方案和设计思路对同类型主蒸汽管道的应力分析具有一定的参考意义。与此同时，主蒸汽管道设计要做到设计、施工、管理相结合，以最大程度地保证汽轮机组的安全可靠、稳定运行。参考文献1 孙利，钱江波 . 主蒸汽管道支吊架调整
23、及管道应力分析 J.热电技，2005（2）：54-55.2 郑勇 . 小型汽轮机本体倾斜事故的分析 J. 硫酸工业，2009（2）：37-38.3 王涛 . 背压式汽轮机支腿翘起的原因与分析 J. 化工设计与通讯，2011（6）:57-59.4 张映伟，于川 . 蒸汽管道连接的变径管泄露分析与对策 J.广东化工，2006（4）:58-59.5 岳进才 . 压力管道技术 M. 北京 ：中国石化出版社，2009.6 宋岢岢 . 压力管道设计及工程实例 M北京 ：化学工业出版社，2005.7 ASME B31.32008，Precess PipingS.8 NEMA SM23，Steam Turbi
24、nes for Mechanical Drive Service， National Electrical Manufactures AssociationS9 唐永进 . 压力管道应力分析 M. 北京 ：中国石化出版社，2010.10 蔡尔辅 . 石油化工管道设计 M. 北京 ：化学工业出版社，2004.Stress Analysis of Main Steam Piping in Turbine with Multi-conditionsZHAO Jingyi， XING Yidong， MAO Wei， CHEN Zuoqiang（Changzheng Engineering Co.,
25、Ltd, Beijing 101111, China）Abstract: By using piping stress analysis software CAESAR II, stress analysis for the main steam piping connected to one turbine under multi conditions were carried out. From the results of the simulation and calculation for the conditions of design, warming piping I, warm
26、ing piping II and installation, it was concluded that the most severe condition is that of warming piping II. The illustration of this condition and the stress analysis used in this article may be referenced in further study of the arrangement of main steam piping connected to turbine.Key words: tur
27、bine; steam piping; severe condition; CEASAR II; stress analysis欢迎订阅化工与医药工程化工与医药工程（CN31-2010/TQ）创刊于 1980 年，是经国家科技部、国家新闻出版广电总局正式批准，面向国内外公开发行的专业技术期刊。由中国石油化工集团公司主管，中石化上海工程有限公司主办。本刊致力于为化工、医药及相关行业从事工程设计、建设与生产工作的广大科研、技术与生产人员服务。主要内容有 ：化工工艺与工程、医药工艺与工程、装备应用与研究、HSE 与节能减排、综述与专论、信息等。本刊发行量大，影响面广，专业性强，权威性高，在业内享有很高的声誉。化工与医药工程为双月刊，大 16 开本，彩色封面，国内外公开发行。欢迎有关单位和个人订阅。订阅价格 ：人民币 90 元 / 年（含邮费）订阅方式 ：通过邮局或银行汇款，并将订阅信息发送至本刊发行部通讯地址 ：上海市延安西路 376 弄 22 号（永兴商务大楼）11 楼邮编 ：200040 邮箱 : 1027288568 caojiji.ssec电话 ：(021) 32140428 转 122、108 传真 ：(021)62489867