石油化工装置中汽轮机的管道设计

石油化工装置中汽轮机的管道设计

摘要：随着炼油装置规模日益大型化，在离心式压缩机和蒸汽轮机管道设计中，管道的应力分析尤为重要。文中从管道应力的角度, 对石油化工装置中的汽轮机管道设计, 从管道的布置、管道支架和管道受力三个方面进行了分析和阐述, 提出了设计中需要特别注

意的问题, 并根据作者多年的设计经验, 给出了行之有效的解决

方案。

关键词：石油化工汽轮机管道设计

中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：

前言：

随着炼油工艺技术的发展，炼油装置规模逐步大型化，这就给管道设计人员在设计时带来了诸多挑战。也对从事管道设计及管道应力分析的人员提出了更高的要求。

汽轮机的管道的布置

为减小工作状态时管系对汽轮机管嘴的推力和力矩, 管道的布

置应有一定的柔性。每台汽轮机都有一个零位移点, 即汽轮机受热时, 零位移点上在水平两个方向上的热位移都为零。进行管道布置时, 要考虑管嘴与零位移点的相对位置, 汽轮机进出口管道的

走向应能适应其管嘴热位移的方向, 以方便设置限位支架为原则, 以便将管嘴的初始热位移对管系的受力影响减到最小。

1.进汽管道

对于进汽管道, 应靠自身的柔性吸收管道的热胀量和管嘴的附

加位移量, 不考虑设置膨胀节。进汽管道的布置与是否设有入口分液罐有关, 如果汽轮机入口管道上有入口分液罐, 可把分液罐作为固定点考虑入口管道的布置; 如果没有入口分液罐, 进入汽轮机的蒸汽管道从管带引入, 应在汽轮机附近的蒸汽管带上设置固定点, 将管带的热补偿与汽轮机进口管道分开考虑。由于当蒸汽轮机距离产汽锅炉或其它产汽系统较远时, 进汽管道产生的压降和温降较大, 为提高蒸汽的温度,在将蒸汽引入汽轮机前, 需要把大量蒸汽放空, 因此在蒸汽进口法兰前的主蒸汽入口管道上, 通常会接出一个带阀门的分支管道, 即入口放空管。由于该放空管的工艺特性, 即汽轮机正常工作时, 该放空管道上的阀门会被关闭, 也就是放空管道处于冷态。因此, 管道布置时在满足工艺要求的前提下, 应将进汽管道的放空管尽可能远离进汽嘴子, 把放空管道的不同工况对机器的影响降到最小。

2.排汽管道

排汽管道的布置应与装置管带分开考虑, 即在管带上适当的位置设置固定支架, 分段考虑管道的热补偿, 靠近汽轮机管嘴部分的管道应比其它部分的蒸汽管道具有较大的柔性。汽轮机出口管道上的止回阀应尽量远离机器, 这样可将阀前的放空管道对机器的影响减到最小。

对于管径较大的汽轮机出口管道, 可考虑使用金属膨胀节来增加管道的柔性, 但不得采用填函式伸缩节或球形补偿器。考虑到水平管道上波纹管里可能会存有积液, 最好将其安装在竖直管道上。

金属膨胀节的选型不但要考虑蒸汽管道的操作温度、操作压力和设计温度、设计压力还要考虑到工艺管道的介质成分。对于直径非常大的汽轮机出口管道, 可从汽轮机出口直接引到地面, 沿地面走

一段后, 再上管带, 这样利用汽轮机管嘴到地面的长距离管段,

设置合适的膨胀节, 但是该垂直管段上的弹簧承重支架最好不要

设置在地面上; 推荐的做法是将该承重支架生根在汽轮机基础上, 这样减少了管道支撑点的位移量, 从而减少了弹簧载荷转移量,

有效地降低了汽轮机出口垂直方向上的受力。

对于凝汽式汽轮机, 由于凝汽管道直接与下方的表面冷凝器连接, 中间设有膨胀节, 由机器制造厂成套供应, 可不设支吊架。

汽轮机的管道支架设置

蒸汽轮机的进出口管道支架设置合理与否，直接关系到其管嘴受力和力矩的大小，设置不合理易造成机组的振动。

1. 蒸汽轮机进汽、排汽管嘴均朝下，进汽、排汽管道靠近管嘴处均应设置弹簧支架或弹簧吊架。

2. 为减少管系对汽轮机进出口嘴子上的力矩，应在与管嘴直接相连的立管上或靠近管嘴的水平管道上设置导向支架，只允许管道上下位移，以防止水平位移造成的力矩。

3. 靠近汽轮机的管道支架可生根在蒸汽轮机基础柱子上。

汽轮机的管道应力分析

在操作状况下管道作用在机械嘴子上的力主要集中在4 个方面：温度荷载、附加位移荷载、管内介质荷载及压力。一次应力验算的

计算荷载[2]应是管道上的所有持久荷载，主要包括管子自重、保温重量、管内介质重量以及管内压力等。二次应力验算的计算荷载应为温度荷载和附加位移荷载。

1. 受力分析

根据有关规定，管道吊装、焊接完成后应对设备嘴子法兰进行对中度和平行度检查，在安装条件下，设备嘴子基本不受作用力。相应工作条件下，设备嘴子所受到的作用力完全由以温度荷载、附加位移荷载和管内介质荷载作用产生，只有在考虑诸多因素影响的前提下才能保证应力分析的准确性。

若使压缩机和汽轮机长周期运行，就必须保证管道对设备作用力不应超过设备制造厂所推荐的数值。当制造厂未提供该方面数值时，可参照美国全国电气制造商协会标准。因此，结合设备的实际结构，设定机轴方向为x 方向,垂直向上方向为y 方向。

2. 强度判定

（1）作用于任一管嘴上的合力及合力矩的强度判断条件:

0.914 4 fr +mr ≤26.689 de

式中fr—单个管口上的合力,n—当接管采用无约束膨胀节时应包括压力产生的作用力；mr—单个管口上的合力矩，n·m；de—当量直径，mm，当管口公称直径不大于200 时，de—管口公称直径，当管口公称直径大于200 时，de—(管口公称直径+400)/3。

fr＝f 2x+f 2y+f 2z

mr＝m 2x+m 2y+m 2z

式中fx、fy、fz—单个管口上x、y、z 方向的作用力，n；mx、my、mz—单个管口上x、y、z 方向的力矩，n·m。

（2）进汽口、排汽口和漏汽口上的力和力矩合成到排汽口中心处的合力及合力矩应满2 个条件。

①合力和合力矩应满足:

0.609 6fc +mc ≤13.345dc

式中fc—进汽口、排汽口和漏汽口的合力,n；mc—进汽口、排汽口和漏汽口的力与力矩合成到排汽口中心处的合力矩,n·m；dc—公称直径计算得到的各管口面积之和的当量直径，mm，当各管口面积之和折合成圆形的折算直径不大于230 mm时,dc—折算直径，当各管口面积之和折合成圆形的折算直径大于230 mm 时, dc—(折算直径+460)/3。

② fc 和mc 在x、y、z 方向的分力和分力矩应满足6 个判定条件。

│fcx│≤8.756 dc │mcx│≤13.345 dc

│fcy│≤21.891 dc │mcy│≤6.672 dc

│fcz│≤17.513 dc │mcz│≤6.672 dc

式中fcx、fcy、fcz—fc 在x、y、z 方向上的分力,n；mcx、mcy、mcz—mc 在x、y、z 方向上的分力矩,n·m。

在管道规划设计中，要充分考虑了该管系的柔性,并在适当的位置设置了弹簧支吊架,目的是吸收管道的热位移,使其荷重由弹簧

调整的更为合理，以致减小汽轮机嘴子的受力。同时设置了限位支