某石化装置汽轮机进出口管道设计中的问题探讨

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

在石化装置的管道设计中，与汽轮机进出口相连接的高温蒸汽管道的设计是一个难点，主要是由于汽轮机是一个高速旋转设备，其机器本体对外界作用的力和力矩较为敏感，过大的外力和外力矩会引起汽轮机外壳变形、移位，进而造成汽轮机的转动轴不对中，影响汽轮机的正常运行，严重的甚至会造成机组联锁停车[1]。所以在对汽轮机的进出口主蒸汽管道进行设计时，管道走向必须合理规划，并进行详细的管线应力分析，使得管道对汽轮机的作用力和力矩控制在透平的允许受力范围之内，目前国内外较为常用的汽轮机管口允许受力标准均参照美国电气制造商协会NEMA SM23标准[2]。

随着管道应力计算方法和软件的推广，目前管道设计师在对汽轮机的进出口管道设计时已经普遍采用应力计算，使由于管道热膨胀产生的外力和外力矩过大而引起的汽轮机故障问题大大减少。但是，由于管道走向和支架设计的不合理而使管道应力计算结果与现场的实际情况产生偏差，从而使汽轮机运行时产生故障的情况时有发生，本文结合某石化装置汽轮机在开车和运行时发生的问题及解决方案作一探讨，供管道设计者参考。

1 汽轮机进出口管道的典型设计要求

SH/T 3012—2011 《石油化工管道布置设计规范》第5.10.2 要求：汽轮机的进出口管道布置应经过柔性计算确定，管道对管口的作用力和力矩应符合制造商或NEMA SM23的要求。对于汽轮机进出口管道的典型配管设计如图1所示。

图1 汽轮机管道典型配管及支架位置设置示意Fig.1 Typical piping line and support positions of steam turbine

在汽轮机管道的柔性设计中，除了要保证管道走向有足够的柔性以外，尚需要特别注意以下两点：

（1）图1中X、Z向限位支架的位置和设计对于汽轮机管口的推力控制十分重要，保证管道产生的热膨胀不会在汽轮机的管口产生过大的推力[3]。

（2）汽轮机管口附近的弹簧支吊架均应采用可变弹簧支吊架，以满足汽轮机进出口管道进行无应力安装的要求[4]。

2 某石化装置汽轮机进出口管道的原设计情况

某石化装置的汽轮机相连的进口管道材质为15 CrMoG，公称通径DN 150，壁厚Sch 80；出口管道材质20 G，公称通径DN 350，壁厚Sch 40。

进出口管道的工艺设计参数如表1所示。

表1 汽轮机进出口蒸汽管道的设计参数Tab.1 The design parameters of the steam lines

进出口管道走向如图2、图3所示。

图2 汽轮机进口管线Fig.2 Steam line connecting with suction of turbine

图3 汽轮机出口管线Fig.3 Steam line connecting with discharge of turbine

运用CAESARII 软件对汽轮机进出口管线进行应力分析，得到汽轮机管口处的载荷如表2所示。经过核算，管口载荷满足NEMA SM23的要求，因此认为设计时管道对汽轮机的推力不会影响汽轮机的正常运行。

表2 原设计时的汽轮机进出口上的管口载荷Tab.2 Nozzle loads on the suction and discharge of the turbine for the initial design

3 现场第一次开车时的问题及情况分析

2016年6月在汽轮机第一次开车时，曾发生汽轮机缸体被顶起的情况，经过现场检查，发现汽轮机进出口管道上的弹簧支吊架定位销都没有被移除，因此可以判断该问题由以下两种情况引起。

（1）在管道施工时，没有对汽轮机管道的管口进行无应力安装，弹簧支吊架的荷载也没有根据实际管道的荷重调整。

（2）由于弹簧支吊架上的定位销没有移除，弹簧支吊架无法随管道热膨胀产生变形，所以实际上变成了刚性支架，此时原设计的管道向下热膨胀变形被限制，从而在管道中产生了向上的额外推力，这个向上的额外推力使得汽轮机缸体发生顶起，如图4所示。

图4 弹簧支架热位移示意Fig.4 The movement of the spring support on the stream line

对管道系统重新进行无应力安装并按要求移除弹簧支吊架的定位销，无应力安装步骤按照API RP 686—2009 《机械设备安装和安装设计的推荐实施规程》第6章附录B和附录D 推荐的程序执行，再次开车到2016年底，汽轮机一直顺利运行，汽轮机转动轴上各项参数正常平稳。

4 现场运行一段时间后发生偏移的情况分析

汽轮机顺利开车运行一段时间后，在2016年底到2017年2月发现汽轮机轴连续向一个方向偏移，数值由+4.0 mil 逐渐下降，最低降至-7.2 mil，截止5月底轴位移达到-9.01 mil，经初步判断汽轮机进出口管道上的推力仍存在过大的情况。

管道设计者再次对汽轮机进出口管道走向和支吊架的现场情况进行检查和分析，发现：

（1）原设计的进口管道由于管道直径只有DN 150，管道柔性较好，现场所有的支架和原设计相符合，弹簧支架处的变形与原设计也相一致，所以判断进口管道不是产生汽轮机轴位移的原因。

（2）对汽轮机出口管道进行现场核查，发现：

① 原设计时对汽轮机出口管道调节阀组的支架设计为一端滑动（节点410），另一端固定（节点560），核查应力计算报告发现在节点410的弯头处，管道向负Z方向（东向）位移量为50 mm，现场发现支架的位移量仅为5 mm 左右，如图5、图6所示，因此可以判断管道的热膨胀向着原设计的反方向即正Z方向发生了偏移。

② 沿着汽轮机出口管道的走向再次核查到节点325 处的限位支架时，发现原设计时限位支架受到的水平推力为31 850 N，对该支吊架图纸进行复查，并对现场支吊架及其生根部位进行检查，发现支吊架本身的设计是满足刚度要求的，但是支吊架生根处的钢梁十分单薄，仅为［16a，不能够满足刚度要求，如图5、图7所示，现场检查也发现该限位支架的生根梁发生了变形。

按照现场的实际情况，对原有管道进行重新应力计算，在410 点增加5 mm的约束，在325 处的限位支架上增加刚度值，使其与现场的实际情况一致，此时汽轮机管口的受力如表3所示。

图5 汽轮机出口管道现场核查Fig.5 The sketch of steam line connecting with turbine

图6 节点410 处现场支架Fig.6 Pipe support on the node 410

图7 节点325 处现场支架Fig.7 Pipe support on the node 325

表3 根据现场实际支吊架情况计算后的汽轮机进出口上管口载荷Tab.3 Nozzle loads on the suction and discharge of the turbine according to the actual situation

经过核算，发现与汽轮机出口管道相连的管口上的受力MY和MZ的力矩远大于原设计值，不能够满足NEMA SM23的要求。因此可以判断，现场汽轮机轴的偏移是由于现场支吊架的实际情况与原有设计不一致，导致现场管道产生的实际推力大于原设计时的推力值引起的。

5 改进方案

保持汽轮机进口管道原有设计不动，重新对汽轮机出口管道走向及支吊架进行设计，考虑到调节阀组处的管道重量较为集中，由此产生的摩擦力相对较大，使得管道在实际运行时的情况与理论计算有一定的偏差，在计算时对调节阀附近的滑动支架增加了水平方向的约束，使其的计算位移与现场的实际位移情况相一致，同时对调节阀组附近的管道走向进行了修改，增加了局部的管道柔性，如图8所示；另外，对节点325 处的限位支架生根处进行了加固，增加该限位支架的刚度，使得现场的实际情况与理论计算基本相吻合，经计算，修改后的汽轮机管口受力情况如表4所示。

图8 优化后汽轮机出口管线Fig.8 The modified drawing of thesteam line connecting with turbine discharge

表4 修改后的汽轮机进出口上管口载荷Tab.4 Nozzle loads on the suction and discharge of the turbine after modification

经过核算，修改后的管道推力能够满足NEMA SM23的要求，因此可以认为重新设计后的汽轮机进出口管道是合理的。

该石化装置利用大修期间对汽轮机的进出口管道按改进方案的图纸进行了重新施工，再次开车后一直平稳运行至今。

6 结论

在汽轮机进出口管道设计时，合理设计布置汽轮机蒸汽进出口管道的走向、支架位置和型式等十分重要[5]，除了按照SH/T 3012—2011《石油化工管道布置设计规范》进行设计以外，尚需注意以下几点：

（1）为防止汽轮机组运行时承受额外的载荷，在对汽轮机进出口管道安装时要做到无应力安装[6]。

（2）在对汽轮机进出口管道进行无应力安装后，先检查管线上的弹簧支吊架定位销是否已经全部移除，以防管线运行情况与设计出现偏差造成汽轮机运行异常。

（3）检查现场支吊架的设计是否和原设计一致，特别是对于承受水平推力的轴向限位支架，除了要保证管道支架的强度以外，还要保证管道支架的刚度足够大，以确保现场的实际情况与原设计时的理论计算相一致。