空分项目中主蒸汽管道设计分析

袁杨杨 沈杰

摘 要：汽轮机是现阶段大部分大型及超大型空分项目使用最多的设备。在使用汽轮机的过程中，若想保证汽轮机能够安全有效的运行，必须对其主蒸汽管道进行合理的设计。基于此，本文以某空分项目为例，分析该项目中主蒸汽管道的設计，期望对相关人员有所启示。

关键词：空分项目;汽轮机;主蒸汽管道;应力分析

引言：空分项目的主蒸汽管道在其正常工作时，管道处于高温、高压的状态，这就导致管道极易受到蒸汽的影响出现破损的现象。因此，在进行对汽轮机主蒸汽管道设计时，需要考虑汽轮机运行时所处的高压、高温的工作状态，以降低管口应力及保证管道布局合理为主要目标，才能够促使主蒸汽管道能够满足汽轮机的使用需求。

1 工程概况

为了更好的分析空分项目主蒸汽管道的设计，本文以某空分项目为例，该项目的规模为84000Nm?/h（O2），采用西门子的汽轮机，笔者对该项目实地考察并收集相关数据作，本项目汽轮机主蒸汽管道的压力为5.05Mpa，设计温度为410℃，蒸汽流量为228t/h。

2 空分项目中主蒸汽管道设计分析

2.1设计要求分析

汽轮机在正常运行时所使用的蒸汽具有高温、高压的特点，这将会给汽轮机的主蒸汽管道带来较大二次应力，因此，需对汽轮机主蒸汽管道进行合理设计，保证主蒸汽管道的使用安全。

在进行空分项目中主蒸汽管道的设计时需要考虑诸多因素，通常情况下，汽轮机对主蒸汽管道的要求主要包括两点，一是需要主蒸汽管口的推力较小，二是需要主蒸汽管口的力矩较小。因此，在主蒸汽管道设计时，需要根据汽轮机的需求，对主蒸汽管道的应力精准计算，并对汽轮机主蒸汽管口推力进行分析。且通常情况下，需要设计出多种主蒸汽管道的设计方案，并在其中选择既经济实用、又符合汽轮机实际运行需求的主蒸汽管道设计，随后利用相关软件进行管口推力、力矩的校验，对主蒸汽管道的设计图进行优化，从而促使主蒸汽管道管口的推力和力矩能够帮助主蒸汽管道真正的发挥其功能与价值[1]。

2.2空分项目主蒸汽的管道设计

在该项目主蒸汽管道设计的过程中，为了更好的对汽轮机管口的受力情况进行校验，该项目的主蒸汽管道设计人将管口受力返还给汽轮机设计人员进行校验，根据设计要求，主蒸汽管道的设计人需要先利用NEMASM23中的相关公式对汽轮机主蒸汽管道管口的应力进行验算，随后汽轮机厂家的设计人员利用CAESRA Ⅱ软件对汽轮机主蒸汽管道的管口受应力情况进行计算，得到管口的应力数据，并以此为参考依据，对管口的布置情况进行合理的设计[2]。随后，设计人员对汽轮机主蒸汽的管道进行合理的设计。该项目汽轮机管口为双管口，在设计的过程中需注意管口处管道对称布置，若连接管口处的管道不对称，则会导致两个管道内蒸汽气流不同，进而会导致管道的受力不均匀，管道所承受的压力不均匀，而当主蒸汽管道受力不均匀时，则会引起偏流，使两个管口管道的连接处受到损坏。因此，在该项目主蒸汽管道的设计人员在设计时，考虑了需要保证两管口的应力均匀情况，通过对主蒸汽管口的推力及力矩校验后，对主蒸汽管道的布置情况进行了多种设计，并通过对比分析后，确定了最优的设计方案，具体设计方案如下图所示。

其中，550点为主蒸汽管道室内与室外的连接点。为了减小550处管道的受力影响，将550处的管道设计为X、Y、Z方向限位。由于840处为两管口管道的连接处，为了减小840处的受力情况，需将840处的管道设计为X方向限位。此外，为了满足主蒸汽管道的实际使用需求，需要将785处设为Y、Z方向限位、690处设为X、-Y、Z方向限位、640处为X、-Y方向限位，745处设为Z方向限位。通过对该设计方案的管口处应力计算后发现，管口处的推力及力矩均能够满足汽轮机的使用要求，且管口处管道布置均匀，不易产生偏流的情况，使用安全性较高。

该设计方案虽然通过了应力计算的校验，从设计方案基本要求上来看并无不妥，但该项目汽轮机负责人发现，该设计方案方向限位较多，若使用该方案则需要在主蒸汽管道的建设过程中使用大量的限位支架，才能够保证管道能够符合设计要求。然而汽轮机在实际运行过程中，蒸汽将会对管道产生较大的推力，而管道所受的推力也必然会给限位支架产生较大的推力，长久以往，则会导致限位支架失衡。若限位支架失衡，则会导致管道成为了蒸汽推力的主要承受对象，限位支架无法为管道分担受力，这样会导致管道极易受到损坏，极易引发管口连接处漏气、汽轮机倾斜等事故，导致该项目汽轮机无法正常运行。因此，需要设计人员对该方案进一步优化。

为了减少限位支架的使用量，需对管道的限位情况进行重新设计，因此，结合实际汽轮机的要求，设计人员在不影响管道使用效果的前提下，在将640处设计为-Y方向限位，将690处设计为-Y、Z方向限，将785处设计为Z方向限位，并取消了745处的方向限位支架。该方案相比于初始方案而言，减少了4处支架的使用量。通过对管口应力情况的计算后发现，管口的应力仍然能够满足汽轮机管道的使用要求，下图为优化后的汽轮机主蒸汽管道设计方案。

结论：综上所述，在主蒸汽管道设计的过程中，首先需要对管口处的受应力情况进行分析与验算，从而促使管口处的推力、力矩能够满足管道的实际运行要求，确保了管道的使用安全性。其次，在管道应力通过校验后，需要对管道的布置进行进一步的优化，对于双管口的主蒸汽管道而言，需要保证管口处管道的布置均匀，同时需要在不影响管道正常使用的前提下，尽量减少限位支架的使用，从而才能够避免主蒸汽管道出现破损的情况。

参考文献：

[1]刘明超; 郭东升.直埋蒸汽管道的设计要点分析[J].区域供热，2020，12（15）：143-145.

[2]亓峰; 王永锋.空分装置高压蒸汽管道在设计中的常见问题分析及改进措施[J].肥料与健康，2020，06（28）：96-98.

（1.浙江省天正设计工程有限公司;2.杭州杭氧化医工程有限公司，浙江杭州 310012）