一种新型管道吹扫靶板固定器的设计计算制作方法

苏弘杰

中国化学工程第四建设有限公司 湖南岳阳 414000

汽轮机广泛应用于石油化工行业和火力发电行业。汽轮机以锅炉产生的蒸汽为动力，通过管道将拥有一定温度和压力的蒸汽输送给蒸汽透平，在蒸汽的作用下，汽轮机转子高速旋转，通过连轴带动发电机旋转发电或带动压缩机等工业设备工作，将热能转化成电能、机械能。其中在蒸汽管道安装环节，管道在经过焊接、水压试压等工序后，管内会残留有铁锈、焊渣等杂质，如果这些杂质被带入高速旋转的汽轮机，汽轮机将因振动值超标而停车，更严重的将直接损坏汽轮机转子，导致转子甚至整个汽轮机面临更换，对企业造成极大的经济损失。于是规范要求蒸汽机组在投用前，必须进行蒸汽打靶吹扫，并经靶板痕迹检测合格。因此研发一种使用安全、节约用材、操作轻便、靶板验收质量俱佳的靶板固定器，将对未来石化、电力工程建筑行业，管道的蒸汽吹扫工作带来很大效益。

1 传统靶板固定器的分析

传统的靶板固定器如图1 所示，一般进行单头固定，制作体积大，使用不方便。前几年也出现过轻便的箭型靶，但吹扫过程插口处漏气，存在一定安全隐患，基本还是使用单头固定式靶板固定器。传统靶板固定器如图1 所示。

图1 传统靶板固定器

传统靶板固定器常选用如槽钢等型材制作靶架，由于靶架单头固定，为增加强度，固定端侧需焊接筋板补强，补强后的靶架再穿入套管，伸进吹扫主管。为满足安装要求，需要选用大口径的套管，套管的连接法兰、盲板与之匹配，规格也随之增大，经分析主要存在3 个缺点：

（1）靶板固定器制作过程耗时耗材，制作完成后重量大，每次更换靶板时，至少需要3 人才能完成工作。法兰规格大，螺栓数量多，每次拆卸靶架和吹扫过程螺栓热紧时，都需要耗费较长的时间。

（2）靶板固定器单头固定设计，巨大的吹扫压力以及蒸汽流动不稳定产生的靶架振动，增加了靶架断裂的可能，且靶架筋板加强的分界位置，也是应力集中区，更加大了断裂的可能。实际操作过程中，常有吹断的现象发生，吹断的传统靶板固定器靶架如图2 所示。

图2 吹断的传统靶板固定器靶架

（3）由于靶板的固定螺栓位置位于吹扫面上，对靶板吹扫效果的检验产生影响，从而降低管道蒸汽吹扫的验收质量。

2 新型靶板固定器的结构设计

在对传统靶板固定器的缺点进行充分分析后，对结构进行优化设计，新型靶板固定器设计效果如图3 所示。

图3 新型靶板固定器设计效果图

新型靶板固定器在蒸汽吹扫过程中，由于需要多次拆卸靶板固定器，因此保留传统靶板固定器可拆卸的法兰螺栓连接结构。其次，为实现靶板固定器的轻量化，新型靶板固定器取消加强筋板和型钢，靶架直接用条形钢板制作，套管管径以及配套的密封法兰、盲板规格也随之减小。再次，为避免靶架因刚性不足而发生的断裂问题，新型靶板固定器采用靶架两端固定的方式。靶架一端与盲板焊接固定，另一端通过焊接钢板上的挡块固定，挡块与靶架之间接触紧密，吹扫温度上升后，靶架与挡块过盈配合，产生更加牢固的固定。最后，为提高管道蒸汽吹扫的验收质量，新型靶板固定器两侧焊接套管，靶板长度大于吹扫主管内径，靶板直接延伸进两侧套管内，靶板固定螺栓同步放置在套管内。设计优化后，消除了有效吹扫面上固定螺栓的阻碍，也消除了检测盲区。

3 新型管道吹扫靶板固定器的分析计算

不同汽轮机有着不同的工艺设计条件，蒸汽管道的温度、压力等工艺因素也不同，为满足不同吹扫条件下靶板固定器的经济性和适用性，需对材料的选用和部件的受力进行分析，使其结构尺寸和材料力学性能满足安全使用要求。

3.1 靶板固定器的材料选用

靶板固定器由钢板、钢管加工制作而成，板材和管材材质的选择与吹扫蒸汽的温度有关。钢材使用温度上限值如表1 所示。不同材料的使用上限温度，靶板固定器材料可参照表1 进行选择。

表1 钢材使用温度上限值

3.2 靶板固定器各部件的分析计算

3.2.1 靶架的分析计算

（1）靶架长度：新型靶板固定器剖面图如图4 所示，靶架的长度计算见式（1）。

图4 新型靶板固定器剖面图

式中：L——靶架长度；

L1——单边套管长度；

L2——法兰、盲板加垫片的厚度；

D——临时吹扫主管外径。

式中多出10mm，使靶架钢板穿透法兰盲板，双面角焊缝焊接，焊脚尺寸8mm。

（2）靶架宽度：靶架宽度与靶板宽度相同，等于8%的蒸汽管道内径，见式（2）。

式中：W1——靶板宽度；

W2——靶架宽度；

t1——临时吹扫主管壁厚；

D——临时吹扫主管外径。

（3）靶架厚度：吹扫过程中，在吹扫温度下，靶架受到持续稳定的压力，为确保靶架不被吹断，靶架所受的压力应小于吹扫温度下材料的许用剪切应力，许用剪切应力等于0.8 倍的许用应力。计算式见式（3）。

式中：［σ］tb——吹扫温度下板材的许用应力；

［σ］jt——吹扫温度下板材的许用剪切应力。

吹扫过程中，靶架受力分析如图5 所示。

图5 靶架受力分析图

靶架所受压力计算见式（4）—（6）。

式中：F——靶架所受压力；

P——管道吹扫压力；

S——靶板的有效受力面积；t1——临时吹扫主管壁厚；

W2——靶架宽度；

D——临时吹扫主管外径。

注：管道是圆形，受弧度影响，S实际值小于W2×（D-2t1）。

经计算可得，靶架所受压力：F=0.08P（D-2t1）2。

靶架所受应力计算见式（7）—（8）。

式中：t2——靶架厚度；

Sj——靶架截面积。

因此靶架的计算厚度：t2=，靶架的实际选用厚度不得小于计算厚度t2。

3.2.2 套管的分析计算

（1）套管管径：套管管径大小与靶架大小有关，要确保靶架能自由穿入。靶板厚度6mm，靶板固定螺栓采用单头螺栓，规格M12，螺母厚度10.8mm，螺母位于靶板背侧，螺杆一端露丝扣2 个，约5mm。套管截面图如图6 所示，相关计算见式（9）—（10）。

图6 套管截面图

式中：D1——套管外径；

D——临时吹扫主管外径；

t1——临时吹扫主管壁厚；

t2——靶架壁厚；

t3——套管壁厚。

计算可得，套管的管径D1＞33.6+2t3+t2，且D1＞0.08D-0.16t1+2t3。

（2）套管长度：套管长度越短越好，但需满足相邻两焊缝之间的距离要求，具体参照表2 要求选取。

表3 系数Y值

（3）套管壁厚：套管的壁厚可参照蒸汽管道设计图纸选用，如设计图纸没有此规格的管道信息，其壁厚按式（11）—（13）进行计算。

式中：Cg——管道厚度附加量之和，mm；

C1g——管道厚度减薄附加量，包括加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏差，mm；

C2g——管道腐蚀或磨蚀附加量，mm；

D1——套管外径，mm；

ts——直管计算厚度，mm；

tsd——直管设计厚度，mm；

Ejg——套管焊接接头系数；

P——管道吹扫压力，MPa；

Y——系数；

［σ］tg——吹扫温度下管材的许用应力。

材料许用应力［σ］t可以通过查询资料获得。

由于管道吹扫靶板固定器仅于蒸汽吹扫时使用，可不考虑腐蚀或磨蚀附加量C2g，选用无缝钢管制作，Ejg=1，故套管的设计壁厚

3.2.3 焊接封板的分析计算

焊接封板的厚度计算见式（14）—（15）。

式中：tm——焊接封板计算厚度，mm；

dG——凹面或平面法兰垫片的内径或环槽式垫片平均直径，mm；

P——管道吹扫压力，MPa；

［σ］tb——吹扫温度下钢板的许用应力；

Ejb——钢板焊接接头系数；

tpd——焊接封板的设计厚度，mm；

C1b——钢板厚度减薄附加量，mm；

C2b——钢板腐蚀或磨蚀附加量，mm。

由于管道吹扫靶板固定器仅于蒸汽吹扫时使用，且实际选材时，可实测钢板厚度，故可不考虑C1b、C2b，采用整块钢板制作，Ejb=1，故焊接封板设计厚度tpd=0.433dG√（P/［σ］tb）。

3.2.4 挡块的分析计算

挡块在吹扫过程中，主要起稳定靶架的作用，防止由于吹扫蒸汽不稳定而导致的靶架振动。因此受力不大，挡块厚度可根据制作时的具体情况自行选择。

3.2.5 法兰、盲板的分析计算

法兰采用带颈对焊法兰；法兰、盲板的公称直径与套管相同；法兰焊接边缘的壁厚等级与套管壁厚等级相同；磅级可参照蒸汽管道图纸选用，也可根据吹扫压力、吹扫温度以及对应的法兰材质，参照《钢制管法兰（Class 系列）》（HG/ T 20615-2019）第7.0.2 条对应表格内选择磅级。

4 新型靶板固定器的注意事项及制作流程

靶板固定器的尺寸计算完成后，现场选取边角材料进行切割打磨加工，加工完成后再进行点焊拼装，最终焊接完成。

（1）制作时要注意焊缝的焊接质量，尤其是套管与吹扫主管连接的对接角焊缝，主管的开孔尺寸、焊缝的焊脚尺寸均要满足要求，否则焊缝位置易产生泄漏，从而产生安全隐患。靶板固定器焊接后，焊缝同吹扫主管一起，按比例进行无损检测。套管焊缝剖面如图7 所示。

图7 套管焊缝剖面图

（2）制作过程必须保证靶架穿过吹扫主管的管中心，否则因靶板有效吹扫面积不足，而降低验收质量，对后续汽轮机平稳运行造成隐患。

（3）为使挡块起到牢固的固定作用，制作过程先完成法兰盲板侧安装，再进行挡块侧安装，且靶架与挡块必须相互接触无间隙。吹扫受热后，靶架与挡块产生热膨胀，从而产生过盈配合，靶架得以更固定的牢固。

新型靶板固定器制作流程见图8。

图8 新型靶板固定器制作流程

5 效益分析

新型靶板固定器，用条形钢板代替型材，取消加强筋板，经计算只需2 至4 寸的套管即可满足几乎所有工况条件下蒸汽管道的吹扫要求，大大节省制作用材，节约制作成本。由于新型靶板固定器小巧轻便，吹扫完成后可拆除重复使用，进一步降低成本。

传统靶板固定器使用过程中，至少需要3 人才能完成靶板的更换，且连接螺栓数量多，可达20 套甚至更多，拆卸靶架、螺栓热紧时耗时长。新型靶板固定器小巧轻便，仅需1 人即可完成靶板更换工作，螺栓数量仅4 到8 套，大大缩短了螺栓拆卸和热紧时间，降低人力成本。

新型靶板固定器将螺栓设计至两端套管内，使得靶板有效吹扫面上无任何其他干扰设施，无检测盲区，提高验收质量，提升验收效率。

6 结论

优化设计后的新型靶板固定器已在多个项目实践，均安全出色地完成蒸汽吹扫任务，至今未发生任何质量事故。此发明在未来石化、电力工程建筑领域，管道蒸汽吹扫工序可以发挥重大作用。