Y形锻制三通的开发和应用

全国化工热工设计技术中心站年会论文集141Y形锻制三通的开发和应用陈金福（中国五环化学工程公司）【内容摘要】在某厂动力站实际工程设计中，由于工艺用汽的需要，机组参数较特殊，汽机自动主汽门采用二进四出的结构，且进汽管间距较小。通过技术经济比较及与管件制造厂家技术交流后确定采用单管进汽，在管道上布置Y形三通。该三通经方案设计、强度计算、有限元分析，确定最佳的结构；在制造过程中，经方坯的锻制、模具的制作、机加工、焊接等工序，克服一个个难题，终于将Y形锻制三通开发成功，获得了用户好评，并填补了国内空白。本文对三通的选用原则也做了简要说明。一、开发背景（一）、概述中石化某厂是我国在七十年代初期由国外引进的大化肥之一，年产合成氨30万吨，尿素48万吨。原设计以天然气为原料，后因天然气无来源改以石脑油为原料，并增加二台100t/h中压燃油快锅。由于油品价格不断上涨，根据工厂现状，该厂九八年开始实施“煤代油”工程，并确定动力站先行启动，动力站的设计由我公司承担。动力站规模为2x240t/h高压燃煤锅炉+1x25MW汽轮发电机组，汽机型号为CC25-9.8/4.1/0.8。由于工艺用汽的需要，机组参数较特殊，主蒸汽进汽量高达330t/h，制造厂为方便设计，汽机自动主汽门套用某厂100MW机组的设计，采用二进四出的结构，阀门前端布置2根Φ273x22进汽管，管中心间距760mm，阀门下端布置4根Φ168x14出汽管。（二）、管道布置方案按系统布置原则主蒸汽系统采用集中母管制，两台高压锅炉产生的高压蒸汽送入主蒸汽母管，部分蒸汽减温后直接送工业（合成压缩机）透平，其余蒸汽进汽轮发电机组。按机组进汽能力需布置两根Φ273x22或一根Φ377x32进汽管。管道材质为12Cr1MoV，两个方案优缺点如下：1、单管进汽由主蒸汽母管上接一根Φ377x32管道进电动主汽门，在电动主汽门后设分流三通，接入自动主汽门的两根进汽管。其特点：管系单一，汽机与电动主汽门的控制联锁简单。汽机进汽均匀，有利于机组的安全运行。需要增加特制三通，三通制造难度较大。材料消耗：特制三通P10.3DN300x225一只电动闸阀P14VDN300二只无缝钢管Φ377x3241m142全国化工热工设计技术中心站年会论文集热压异径三通P13.73DN350x300x350一只90°热压弯头P13.73DN300六只流量测量P10.3DN300一套旁路阀二套疏水装置三套2、双管进汽从主蒸汽母管上接出二根Φ273x22管道进入相应的电动主汽门，通过电动主汽门，直接接入自动主汽门的两根进汽管。其特点：管系复杂，汽机与电动主汽门的控制联锁有二套。二根管道长度不一，管道阻力不同，进汽不均匀，不利于机组的安全运行。所需管件均为定型件，制造采购容易。自动主汽门进汽管间距较小，难以并排布置两个电动主汽门，需额外增加管件数量。二根进汽管长度不等，按应力计算结果，自动主汽门所受外力不平衡。因管件数量增加，安装焊接工作量增大。材料消耗：电动闸阀P14VDN225四只无缝钢管Φ273x2285m热压异径三通P13.73DN350x225x350二只90°热压弯头P13.73DN225十二只45°热压弯头P13.73DN225四只流量测量P10.3DN225二套旁路阀四套疏水装置六套3、经过询价比较，单管进汽比双管进汽具有一定的价格优势，而且系统简单，汽机进汽均匀，管系受力合理，只要采用结构合理、可靠的特制三通，系统的安全性就能得到保证。二、三通的结构及形式三通是管道工程中常用的管件之一，其结构形式有多种，按制造工艺可分为（冷、热）挤压三通、锻制三通和焊制三通，焊制三通又可分为厚壁加强焊制三通、单筋加强焊制三通和碟式加强焊制三通三种。按三通的外部形状可分为斜三通、正交三通和Y形三通。如下图：国内标准成型三通，不论是行业标准（如电力部GD87、化工部标准），还是国家标准全国化工热工设计技术中心站年会论文集143(GB12459-90)，均为正交三通。对本工程而言，按配管要求，应采用Y形分流三通。对三通的选用原则，按电力行业的规范，在可能的条件下，优先采用冷、热挤压成型的三通或锻制三通，其次采用厚壁加强焊制三通。对单筋加强焊制三通，必须严格控制加强筋与三通主体的焊接和检验条件，不宜采用碟式加强焊制三通。锻制三通材质好、强度高，先进的锻制方式是多向模锻，但设备与工艺复杂，大三通制造较少采用。目前国外大机组的主汽管上的三通普遍采用整锻三通，国内仅某些重型机器厂已具备这种生产能力，常规的加工方法一般是先由锻造厂锻出方坯，再切削加工成三通。由于主蒸汽压力及温度都极高，三通制造质量对机组的安全运行关系重大，因此不仅对三通锻件和机加工提出质量要求，而且对三通锻件的冶炼方法提出具体要求，其锻件应采用电炉冶炼的镇静钢、钢包精炼真空脱气。经与国内多家管件制造厂家联系，均无制造Y形三通的业绩，但从现有的技术力量和制造水平而言，有多家表示有实力制造。在八十年代初期国外引进的火力发电机组中，曾出现过Y形锻制三通，参考国外Y形三通的设计经验和国内的实际情况，最终决定采用锻制三通加带直段45°热压弯头的组合结构，制造厂家经多方选择比较确定为江阴东联高压管件有限公司。按制造厂承喏，三通材料为12Cr1MoV，锻件按JB4726-94《压力容器用钢锻件》最高级Ⅳ级制造，并参照电力行业标准DL473-92《大直径三通锻件技术条件》执行。三、制造尺寸及公差要求按动力站设备布置，自动主汽门与电动主汽门之间的间距为4190mm，扣除阀门本体的结构尺寸，三通的控制尺寸为：长度1150mm，两排汽管中心距760mm，锻造三通的制造公差按ASMEB16.9的规定执行，非控制尺寸的公差按GB1804-79JS15取值。三通内壁144全国化工热工设计技术中心站年会论文集主管与支管相交处用圆锥面过渡。锻造三通的外型尺寸见上图，图中的公差尺寸未注。四、有限元分析按上图外形图，若采用整锻结构，则造价太高，而且机械加工存在很大的难度，故采用分体结构，件号1为锻造三通，件号2为带直段45°弯头。在《火力发电厂汽水管道设计技术规定》(DL/T5054-1996)中，锻制三通的强度计算方法应采用面积补偿法，但为了验证三通的强度和结构的合理性，特进行了有限元分析，以求得三通在内压作用下的应力分布。有限元计算与分析由电力工业部热工研究院徐鹤廷教授完成。计算所用机器为IBMPC/XT286加DSI785加速板，分析软件ADINA程序在此加速板上运行的速度相当于VAX-11780，计算耗用机时8小时。计算时，将主管与支管分别加长，以减少管端对三通本体应力分布的影响，对其物理模型做如下简化和假定：三通主管端为轴向固定约束三通只受内压作用，不计外载三通支管端面受力大小等于内压对堵板的作用力不计三通自重在t=540℃时，材料12Cr1MoV的许用应力为72MPa，考虑到计算时物理模型的简化，取材料许用应力[σ]=48.7MPa。主蒸汽工作压力10.3MPa。根据ADINA程序输出的积分点数据，再经过应力修补程序将各个节点的主应力计算出来，可绘制成主应力等值线图和对称面变形图，下图给出主应力等值线图：一般来说，三通的高应力区在外腹部、内肩部及主支管相贯线处，但由于该三通壁厚较大，高应力处出现在三通内壁两支管及主管相贯线处，而三通本体外壁最大主应力仅为30.1MPa。三通的最大应力点位欲三通内壁两支管与主管相贯线上。在此点周围应力梯度很大，最大应力点数值为86MPa。若以材料许用应力[σ]=48.7MPa计，则应力集中系数为1.76。在应力集中区应力衰减很快，在接近外壁处最大主应力小于10MPa。按国家有关标准进行判定，该三通的强度判定结果如下：（下转第122页）全国化工热工设计技术中心站年会论文集145（上接第144页）1.低应力区域中内外壁最大点的平均当量应力值为(25+30.1+10.3)/2=32.7MPa，验证应力Pys1=[σ]x10.3/32.7=15.4MPa2.低应力区最大点的当量应力值为25+10.3=35.3MPa，故验证应力Pys2=1.5[σ]x10.3/35.3=21.3MPa3.高应力区域中内外壁最大点的平均当量应力值为(86+18+10.3)/2=57.15MPa，验证应力Pys3=1.5[σ]x10.3/57.15=13.2MPa4.高应力区域最大点的当量应力值为86+10.3=96.3MPa，故验证应力Pys2=1.5[σ]x10.3/96.3=15.6MPa5.结论：最小验证应力Pymin=13.2MPa，如取计算相对误差为0.1，则该三通的最高允许工作压力[P]=13.2/1.1=12MPa10.3MPa，强度合格。最大变形为2x10-4mm。五、实际使用效果Y形锻制三通外形美观、结构合理，管系受力均匀，自2000年10月投用以来，运行正常，管道无振动，赢得了用户的好评，同时填补了国内的一项空白。附用户报告。六、应用前景在工程设计中，因工艺流程或设备接口的要求，常会遇到管道介质的分流和合流。对低压或常压管道，往往是根据布置的具体情况，设计制作所需形状的三通。但在高压管道设计时，考虑到管道应力集中及制造经验等因素，习惯上按某一标准选用成型标准，而目前现有国内标准中，均为正三通。对某些特殊场合，采用标准三通将会产生管系布置复杂，气流分布不均匀，管道阻力增加等不利影响，最终使投资增加，可操作性差，运行费用提高，严重者将导致设备不能运行。Y形三通的开发成功，使用户增加了优化设计的选择机会，填补了国内空白。Y形锻制三通，不仅可用于电站行业，也可用于其他行业的高温高压管道系统，如石油、化工等行业特殊场合的分、汇流管道系统。它具有如下优点：1.简化管道系统，方便操作。2.节省投资3.降低管道阻力，优化管道布置，有利于运行费用的减少。4.均衡气流分布，降低管系振动，确保设备和管道的安全运行。[参考资料]1.《电站钢制对焊管件》DL/T695-19992.《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T5054-19963.《大直径三通锻件技术条件》DL473-924.《50MW主汽Y形锻造三通有限元分析报告》电力部热工研究院徐鹤廷附：用户报告（略）