空分装置中压蒸汽管道的设计(修改稿).docVIP

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： SE≤SA=1.25SC+0.25Sh 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，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SA＝164.25MPa。 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，则重新调整管道走向。只有当SE≤SA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ф168.3mm×11.0mm。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：MX=3.5kN·m，MY=1.6kN·m，MZ=1.6kN·m。 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 力矩 MN/N·M 力矩 MU/N·M 力矩 ME/N·M 5 1157. -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 力矩 MN/N·M 力矩 MU/N·M 力矩 ME/N·M 应力 S/kPa 5 0.00 0.00 0.00 503. 6560. 234. 32785. 10 2.35 0.00 2.81 -1010. -382 234. 5502. 10 2.35 0.00 2.81 -1010. -382 234. 5502. 15A 4.33 0.66 5.23 -1034. -6364. 234. 32132. 15A 4.33 0.66 5.23 -1034. -6364. 234. 52700. 15 4.28 0.82 5.29 -679. -6629. 499. 54579. 20A 4.12 1.22 5.07 658. -6629. 1492. 33997. 20A 4.12 1.22 5.07 658. -6629. 1492. 55758 20 3.96 1.27 4.90 1014. -6273. 1756. 53846. 25 2.36 0.00 2.13 1014. -945. 1740. 11079. 25 2.36 0.00 2.13 1014. -945. 1740. 11079. 30A 0.74 -1.67 -1.01 1014. 4429. -2429. 25659. 30A 0.74 -1.67 -1.01 1014. 4429. -2429. 42084 30 0.49 -1.75 -1.06 738. 4521. -2705. 43451. 35 -0.22 -1.75 -0.36 -1063. 2795. -2705. 20082 40A -0.43 -1.73 -0.09 -1753. 2134. -2705. 19253. 40A -