余热锅炉高温高压管道应力分析及应用探索

李复生 刘朕成 唐君

摘要：为了更好地实现垃圾焚烧电厂余热锅炉长期稳定运行，提高管道安全性，防止管道爆裂造成人身伤害和经济损失，不少企业采用AutoPIPE软件对余热锅炉高温高压管道建模、仿真模拟分析管道应力。同时，采取管道建立模型、选取材料、计算管道强度和刚度选定跨距、分析模型应力分和安全性判定等一系列措施，以实现管道的安全设计及运用。AutoPIPE软件程序可以在余热锅炉高温高压管道的设计、验算和安全评定上实现自动化、高效化。根据多年经验积累，笔者所在企业确立了一套管道模拟应力分析方法，大大提高了管道的设计效率和使用的安全性能，并已广泛应用于垃圾焚烧领域，可有效满足生活垃圾焚烧电厂的供应链需求。

关键词：垃圾焚烧；管道应力；自动化；安全性能

随着城市化进程的加快，城乡生活垃圾量越来越大。截至2018年年底，全国共建成垃圾焚烧电厂364座，并且新建垃圾焚烧电厂数量仍然在不断增长。越来越多的垃圾焚烧电厂在建或者投入运行，而余热锅炉的高温高压管道稳定高效运行问题日益引起业界人士的关注。管道输送的介质是高温高压介质，因此，对管道品质要求非常严格。为确保管道及配合连接设备的安全可靠，管道设计必须通过应力分析判断其安全性和合理性，对整个焚烧发电厂运行起到关键性的影响。但目前部分垃圾焚烧电厂对高温高压管道选用不够重视，经常出现管道泄漏，甚至爆管等情况，从而导致停炉，严重影响锅炉的安全、稳定运行 。

当前，垃圾焚烧行业发展迅猛，高温高压管道应力分析与计算作为管道设计的基础逐渐被重视，并取得了较大的进步。高温高压管道应力分析作为管道设计是否安全合理的判断手段，对企业安全生产、成本控制及现场安装都起着关键性的作用 。

一、管道应力分析

（一） 应力分析的目的

（1）保证管道应力在规定的允许范围内，防止管道受到过载应力，导致金属材料疲劳从而引起管道破坏。

（2）管道装置的管口符合使用要求或公认标准。

（3）通过计算管道强度和刚度选定跨距，布置合适的管道支吊架。

（4）解决管道过载、变形问题。

（5）辅助配管优化设计。

（二）应力分析的规定和要求

管道应力分析应遵循相应规定和要求，一般包括以下6个方面：

（1）高温高压管道在受到外力的载荷工况下，需在应力分析中给定方法和安全判定规范。

（2）在做高温高压管道应力分析时，应考虑管道的强度和刚度。

（3）在选取高温高压管道支吊架时，应考虑弹簧支吊架、恒力吊架、固定支架、滑动支架、油压阻尼器、导向支架、刚性吊架、刚性支架、限位形吊架的适用范围和特点，合理布置，在保证支架强度安全的前提下，减小管道应力。

（4）管道应力分析应采用必要的软件作为辅助手段。

（5）管道应力需满足安全评定条件。

（6）满足业主的特殊要求。

（三） 应力分析的主要内容

管道应力分析分为静应力分析和动应力分析两类。

1.静应力力分析

（1）计算管道中的应力并使之满足标准规范的要求，保证管道安全（包括防止法兰泄漏）。

（2）计算管道对与其相连的机器、设备的作用力，并使之满足标准规范的要求，保证机器设备的安全。

（3）计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架和体检结构的设计提供依据，保证支吊架和土建结构安全。

（4）计算管道位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据。

2.动应力分析

（1）管道热膨胀状态下应力分析，防止管道受热膨胀，热位移超限，导致管道发生撕裂。

（2）管道地震力状态下应力分析，防止管道在受地震力，水平方向位移超限，导致管道发生撕裂。

（3）机械传动压缩机等管道的强迫振动分析，控制管道的振动应力，防止管道因振动发生疲劳破坏。

（4）常采用的有模态分析和自然频率分析、反应波谱分析、衰减谐波分析以及时程分析等。

综上所述，在应力分析过程中，应根据管道选用材料、压力、温度及受力载荷工况，优化管道路径，实现管道安全。

二、管道应力分析载荷工况

应力分析过程中管道可能存在的载荷工况，主要包含以下9个方面：

（1）重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等。

（2）压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力。

（3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等。

（4）风荷载。

（5）地震荷载。

（6）瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击。

（7）两相流脉动荷载。

（8）压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动。

（9）机械振动荷载：如回转设备的振动。

三、管道应力分析过程

采用AutoPIPE程序对管道建模：

（1）按照高温高压管道设计路径建立模型。

（2）选取管道规格及材料属性（图1）。

（3）管道跨距计算后，确定在适当的位置布置支吊架。高温高压管道跨距计算，如图2所示。

对高温高压管道设置对应温度、压力、风载、加速度等外部载荷工况（图3）。

综上所述，高温高压管道应力分析模型建立完毕，如图4所示。

四、管道应力分析结果及安全评定

（一）应力分析结果

按照建立模型，采用AutoPIPE程序模拟分析（应力比＜1，合格），如图5所示。

（二）应力分析安全评定

管道输送的是高温高压介质，因此，对管道品质要求非常严格。为确保管道及配合连接设备的安全可靠，管道设计必须通过应力分析判断其安全性和合理性，同时要满足安全评定的要求。当这些条件不能满足时，管道应力分析结果不合格，就必须通道改变管道布置及支吊架形式和位置，最终达到安全评定的要求。例如，上述模型当应力分析条件不满足时，采用AutoPIPE程序进行模拟分析结果不合格，如图6所示。

通过综合调整优化高温高压管道规格、材料属性、管道布置及模支吊架形式和位置等，管道应力分析结果合格，达到安全评定的要求。

（三）管道应力分析应用

以江苏兴化垃圾焚烧电厂项目为例，该项目额定垃圾处理能力350t/d、额定蒸发量30t/h，主蒸汽管道使用压力4.0 MPa、温度400 ℃ ，投产使用效果良好。其中，主蒸汽管道采用应力分析进行安全评定后运行，连续运行3年，无泄漏、无爆管、无变形，这也成为公司典型性示范项目。该项目高温高压管道总装实例，如图7所示。

五、 结语

综上所述， 经过不断总结、归纳、优化高温高压管道应力分析，通过选取管道材料，调整管道跨距计算布置以及支吊架，并采用AutoPIPE软件安全判定的方法，可有效提高安全生产、优化设计、节约材料，达到高温高压管道的安全使用标准。

企业仍然会持续性投入，进一步研究高温高压管道应力分析过程中的控制策略及方法，充分发挥管道应力分析在垃圾焚烧电厂的作用，在提高产品性能的基础上，降低现场维修的概率，实现生活垃圾发电厂高效、安全、稳定运行。

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作者简介：李复生（1985），男，山东省青岛市人，本科，中级工程师。研究方向为生活垃圾焚烧发电、压力管道、余热锅炉、污泥焚烧等环保工程的设计和调试。