浅谈糖厂自备热电站压力管道应力分析与安全运行

1浅谈糖厂自备热电站压力管道应力分析与安全运行——以糖厂背压式汽轮机背压管道设计为例韦立新（广西华蓝设计（集团）有限公司，广西，南宁530011）摘要：以糖厂背压式汽轮机的背压管道设计为例，通过应力分析说明压力管道的安全运行涉及到管道的设计、制造、安装、监管及运行维护等诸多方面，需要相关部门密切配合，把好质量关，才能保证其安全运行。关键词：热电站；背压管道；管道应力分析；管道安全事故1前言目前国内糖厂自备热电站主要有背压、抽凝、抽背式汽轮发电机组形式，南方甘蔗糖厂一般采用单一背压式汽轮机组实现热电联产。热电联产是一种既发电又供汽的生产工艺，具有热能利用率高的优点，是公认的节约型循环经济。国内糖厂自备热电站机组多采用压力2.45～3.82MPa，温度400～450℃参数，其压力管道主要包括主蒸汽管、背压(泛汽)管、减温减压器管道、锅炉给水管、疏凝水管和排污等管道。在糖厂自备热电站的压力管道中，主蒸汽管和减温减压器管道等温度和压力较高的压力管道在设计时由于得到足够的重视，很少出现事故，反而是低温低压的压力管道安全事故时有发生，如汽轮机的背压管道等，因此糖厂压力管道的安全问题不容轻视，在此仅以糖厂背压式汽轮机的背压管道设计应力分析为例，浅谈压力管道的设计和运行安全问题。2管道应力分析概述管道应力分析是压力管道安全设计的基础。由于糖厂的压力管道具有管道长、管壁厚度薄、曲率大、布置交叉密集等特点，其空间走向和荷载往往比较复杂，它们的应力分析计算涉及的影响因素较多，如管道内介质压力、管道和附件自重（含保温材料）、支吊架的反力、温差收缩膨胀引起的热应力、风雪地震载荷、介质流动的冲力、安全阀动作而产生的冲击载荷以及管道（附件）的制造和安装质量等等，致使要对一管系作出完整的应力分析计算十分繁琐和困难。目前，已在工程上采用的各种管道应力计算均是不同程度的近似算法，其结果的可靠程度取决于管系的实际问题与设计者的基本假设是否接近。随着计算机和国内开发的管道应力分析计算软件的普及，现在我们可以更方便准确、迅速地对较大复杂管系进行应力分析计算，以检验我们的管道设计是否满足强度要求和安全，同时也为我们对管道设计经济性分析提供可靠依据。目前压力管道设计应力分析软件有CAESARⅡ和长沙优易AutoPSA等。为使糖厂的压力管道设计符合现行有关规范的规定安全要求，需采用适当的应力验算标准和方法，在此仅讨论涉及糖厂压力管道设计的现行国内压力管道设计标准规范：GB50136－2000《工业金属管道设计规范》、《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》SDGJ5366一2006和《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T5004—1996等。目前糖厂新建自备热电站机组规模多在15MW以下，属于中小型热电机组，其压力管道应力计算一般按现行电力部标准规范执行，即SDGJ5366一2006和DL/T5004—1996，以下为叙述方便将以上两个电力部标准规定简称为《火规》。压力管道产生的应力按其对管道破坏所起的作用分为一次应力、二次应力和峰值应力[1]。一次应力是管道承受介质内压和持续外荷载产生的应力。持续外荷载包括管子和附件及管内介质和管外保温的重量、管道支、吊架的反作用力、风雪及地震等荷载。这些荷载使管道产生弯曲、扭转、垃伸和剪应力，其特点是随外载加大而应力相应增加，具有非自限性。当荷载超过管道材料的屈服极限时，管道将发生塑性破坏或变形。一次应力的验算，一般需分别进行内压折算应力即周向应力和持续外载应力的验算，《火规》采用极限载荷设计准则来规定其许用应力值。其中：周向应力只要小于工作温度下管道材料PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的基本许用应力或壁厚满足强度要求即认为安全；持续外载产生的轴向应力小于管道材料在工作温度下的基本许用应力（σL≤[σ]t），即可满足安全要求。二次应力是由于管道的热胀冷缩和管道的位移受约束产生的应力。它是由于管道变形受阻产生的，不与外力荷载相平衡，而是通过管道变形协调来适应，其应力值自动限制在一定范围内，具有自限性。二次应力的破坏是在反复加载卸载及多次重复冷热交变作用下引起的疲劳破坏。《火规》验算采用安定性准则和疲劳准则导出相应的限制条件即许用应力范围和一定的交变循环次数。峰值应力是指管道或附件由于荷载、结构形状的局部突变产生的最高应力值。它的特点是整个结构不引起显著的变形，而在短距离内从它的根源衰减掉，是导致疲劳裂纹或脆性破坏的原因之一，如管道中的小转弯半径处、焊缝咬边处等。对于峰值应力的验算，也采用简化法，即在验算一次应力，二次应力或一次加二次应力的许用应力范围时，在三通、弯管、大小头等局部应力集中处，计入应力加强系数，以防止管件的疲劳破坏。由一次应力和二次应力的定义和特点可知，由于一次应力没有自限性，所以它比二次应力更危险，应该受到更严格的限制。我国压力管道设计规范[1][2][3]的应力限制条件，主要针对静力载荷，一般不考虑偶然性载荷的作用，但对于大直径、高温、高压，剧毒、易燃易爆介质的管道应考虑偶然性载荷加以核算。关于一、二次应力计算公式和使用条件具体见国家相关规范[1][2][3]，在此不再赘述。3糖厂热电站压力管道柔性计算的范围根据GB50136－2000《工业金属管道设计规范》规定，常温压力管道只需验算一次应力；当管道的设计温度≥100℃或≤-50℃时，均应进行管道的柔性计算即二次应力计算。该规范的9.2.2.1规定“对于与敏感机器、设备相连的或高温、高压或循环当量数大于7000等重要的以及工程设计有严格要求的管道，应采用计算机程序进行柔性计算。”现行电力部标准规范《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T5004—1996中的5.3.2条则规定“主蒸汽、再热蒸汽、汽轮机抽汽、辅助蒸汽、高温轴封供汽及高压给水管道应按照《汽水管道应力计算技术规定SDGJ6-90》进行电子计算机计算；其他热管道，宜采用电子计算机计算。”糖厂热电站属于小型热电机组，其压力管道的应力计算采用电力部标准规范的规定更切合实际，所以有条件的设计院在进行糖厂背压管道的布管设计时应上机核算管道应力。4管道应力计算条件及荷载等参数的取值以下以糖厂背压式汽轮机背压管道为例，说明压力管道的应力计算基础参数取值。4.1计算条件及荷载1、计算温度：包括环境温度和设计温度。环境温度一般取20℃；设计温度则不仅要考虑正常运行条件下的温度，还应考虑启、停车等情况下最不利的温度。糖厂背压式汽轮机背压管道排汽压力在0.294～0.49Mpa时，其设计温度一般取240～250℃。2、计算压力：即设计压力，应取不小于在运行中可能遇到的内压或外压与温度相偶合时的最严格情况下的压力。糖厂背压式汽轮机背压管道设计压力一般为0.294～0.49MPa。3、持续外荷载：主要包括管道自重、保温层、介质重量、管道上其他附件的重量、支吊架的反作用力以及其它集中和均布荷载。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、偶然荷载：包括风、雪、地震荷载、介质冲击以及安全阀动作而产生的冲击荷载等。这些荷载都是偶然发生的临时荷载，一般不会同时发生。我们在静力分析时，一般压力管道可不考虑这些荷载，但对于大直径、高温、高压、剧毒、易燃易爆介质的管道应考虑偶然性载荷加以核算。5、接口附加位移：由于所连接设备热胀及其他载荷作用下产生变形，管道与连接设备的接口处会产生一组附加位移，一般可取计算软件默认值1mm。4．2管材基本参数特性1、管道材料、壁厚：可通过设计手册查表或通过《火规》计算公式确定。糖厂背压式汽轮机的背压管道材料材料一般采用Q235-A螺旋缝电焊钢管（SY/T5037-2000）。2、许用应力：管道的许用应力是管材的基本强度特性除以安全系数。管道承受荷载所产生的一次应力是非自限性的。一次应力值不超过管材的许用应力即认为是可靠的。对于自限性的二次应力，则用热胀许用应力范围来判断。其值不应大于按下式计算的数值：σE≤f[(1.2[σ]20＋0.2[σ]t＋[σ]t-σL）]；式中，σE为热胀许用应力范围（MPa），[σ]t、[σ]20为热态和冷态(20℃时)管材的许用应力（MPa），σL为内压、自重和其他持续外载所产生的轴向应力之和(MPa)，f为在全部工作年限内，根据管道伸缩的总循环次数确定的应力减小系数；当N≤2500时，f=1；当N2500时，f=4.78N-0.2。糖厂压力管道设计年限内冷热总循环次数不超过2500次，因此，一般情况下取f=1。3、线胀系数：根据给定的设计温度及材料确定线胀系数。糖厂背压管道材料采用Q235-B碳钢管时，250℃时其线胀系数α=12.25×10-6/℃。4、管材弹性模数：管道安装状态和设计温度下的弹性模数Ea和Em应分别按相应的温度查《火规》确定。5、泊松比：所有金属材料的泊松比，在任何温度下均可取0.3；也可取来源可靠的更精确的数据。5压力管道设计及应力问题的处理汽轮机的背压管道指汽轮机排出口至用户之间的管道，在糖厂一般指从汽轮机排口到制练车间的降温桶之间的管道。在背压管道设计中，如果管道的一次应力超出许用应力范围，一般很容易通过增加管道壁厚或适当缩小支吊架间距解决；但如果二次应力过大，则需设计者颇费心思解决。为减少管道因热胀冷缩和位移约束产生的推力和力矩，常用的布管原则为：在管道中增加弯管数量和使管道的几何重心远离管端点(或固定点)间的连线，越远其柔性越好。压力管道的布置一般采用增加弯管的自然补偿和构件补偿器补偿两种办法来改善管道的柔性。在糖厂新建汽轮机的背压管多采用弯管自然补偿布置，即从汽轮机排口接出的背压管道绕汽轮机岛基础柱一圈后向上或向下接入背压总管。这样的布管道设计，管道计算模型较简单，其应力计算往往经过一两次计算就能通过，且仅从管道附件材料费用看也比采用补偿器构件低，为首选布管方式。但为节约土建费用，糖厂在技改中往往希望在旧汽机间布置新增汽轮机组，通过加固旧汽机间的粱、柱等节约投资，这样由于旧汽机间的层高和空间尺寸的限制，致使汽轮机的背压管采用弯头自然补偿布置方法很困难，只能采用构件补偿器的办法来保证管道的推力限制在安全范围以内。构件补偿器主要有波纹管补偿器、套筒式补偿器、球形补偿器等，甚至局部使用波纹金属软管等，由于自由型（通用式）波纹补偿器的价格相对较低，故在糖厂汽轮机的背压管道设计中经常采用。我们知道当管道中采用自由型（通用式）波纹补偿器时，在管径较大时，其内压产生的轴向（盲板）推力往往很大，故在有推力限制的管端附近选用该类型补偿器时，有条件的宜选用无轴向内压盲板推力的型号，如受空间位置限制而选用有轴向推力的波纹补偿器时，应注意采取限制管道对设备的力拒和推力。如对糖厂汽轮机PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建设备来说，当管道的推力和力矩超出汽缸自稳能力时，会使汽轮机转动机械移位或卡住，从而影响机组安全运行。限制管道推力的措施一般有适当冷紧、合理选择支吊架、改变管道的物理或几何参数（如条件许可下的壁厚）、改变弯管曲率半径、改变刚性支架接触面的摩擦系数等。冷紧是在管道安装时，预先切去或加长(低温时)的管道预定长度（需通过计算确定），在安装时再将管道强拉焊接就位。冷紧是调节管道运行初期对设备的推力和力矩的重要措施，能减少管道运行初期在工作状态下的热胀应力，使管系能迅速达到冷、热状态的自均衡，但冷紧不改变管道应力的数值范围；一般冷紧在蠕变条件下工作的管道中使用（碳钢380℃及以上，低合金钢和高铬钢420℃及以上），而汽轮机的背压管道为低温低压参数，一般不采用冷紧方式而多采用在汽机排口下布置波纹补偿器。为增加波纹补偿器工作的稳定性，往往在安装前将补偿器冷拉一半补偿值。此外在糖厂还通常采用在汽轮机排口附近设置止推点，即在汽机排口附近的背压管道上设置弹簧支吊架，使管道只能朝汽机的反方向膨胀，减小背压管道对汽机排口的推力，以免影响汽轮机的找正，避免汽轮机产生振动或间隙改变而增加蒸汽的损失和降低汽轮机的效率。一般