（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

在石化裝置的管道設(shè)計(jì)中，與汽輪機(jī)進(jìn)出口相連接的高溫蒸汽管道的設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)，主要是由于汽輪機(jī)是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其機(jī)器本體對(duì)外界作用的力和力矩較為敏感，過(guò)大的外力和外力矩會(huì)引起汽輪機(jī)外殼變形、移位，進(jìn)而造成汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸不對(duì)中，影響汽輪機(jī)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的甚至?xí)斐蓹C(jī)組聯(lián)鎖停車(chē)[1]。所以在對(duì)汽輪機(jī)的進(jìn)出口主蒸汽管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，管道走向必須合理規(guī)劃，并進(jìn)行詳細(xì)的管線應(yīng)力分析，使得管道對(duì)汽輪機(jī)的作用力和力矩控制在透平的允許受力范圍之內(nèi)，目前國(guó)內(nèi)外較為常用的汽輪機(jī)管口允許受力標(biāo)準(zhǔn)均參照美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)NEMA SM23標(biāo)準(zhǔn)[2]。

隨著管道應(yīng)力計(jì)算方法和軟件的推廣，目前管道設(shè)計(jì)師在對(duì)汽輪機(jī)的進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)普遍采用應(yīng)力計(jì)算，使由于管道熱膨脹產(chǎn)生的外力和外力矩過(guò)大而引起的汽輪機(jī)故障問(wèn)題大大減少。但是，由于管道走向和支架設(shè)計(jì)的不合理而使管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況產(chǎn)生偏差，從而使汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生故障的情況時(shí)有發(fā)生，本文結(jié)合某石化裝置汽輪機(jī)在開(kāi)車(chē)和運(yùn)行時(shí)發(fā)生的問(wèn)題及解決方案作一探討，供管道設(shè)計(jì)者參考。

1 汽輪機(jī)進(jìn)出口管道的典型設(shè)計(jì)要求

SH/T 3012—2011 《石油化工管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.10.2 要求：汽輪機(jī)的進(jìn)出口管道布置應(yīng)經(jīng)過(guò)柔性計(jì)算確定，管道對(duì)管口的作用力和力矩應(yīng)符合制造商或NEMA SM23的要求。對(duì)于汽輪機(jī)進(jìn)出口管道的典型配管設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)管道典型配管及支架位置設(shè)置示意Fig.1 Typical piping line and support positions of steam turbine

在汽輪機(jī)管道的柔性設(shè)計(jì)中，除了要保證管道走向有足夠的柔性以外，尚需要特別注意以下兩點(diǎn)：

（1）圖1中X、Z向限位支架的位置和設(shè)計(jì)對(duì)于汽輪機(jī)管口的推力控制十分重要，保證管道產(chǎn)生的熱膨脹不會(huì)在汽輪機(jī)的管口產(chǎn)生過(guò)大的推力[3]。

（2）汽輪機(jī)管口附近的彈簧支吊架均應(yīng)采用可變彈簧支吊架，以滿足汽輪機(jī)進(jìn)出口管道進(jìn)行無(wú)應(yīng)力安裝的要求[4]。

2 某石化裝置汽輪機(jī)進(jìn)出口管道的原設(shè)計(jì)情況

某石化裝置的汽輪機(jī)相連的進(jìn)口管道材質(zhì)為15 CrMoG，公稱(chēng)通徑DN 150，壁厚Sch 80；出口管道材質(zhì)20 G，公稱(chēng)通徑DN 350，壁厚Sch 40。

進(jìn)出口管道的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 汽輪機(jī)進(jìn)出口蒸汽管道的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The design parameters of the steam lines

進(jìn)出口管道走向如圖2、圖3所示。

圖2 汽輪機(jī)進(jìn)口管線Fig.2 Steam line connecting with suction of turbine

圖3 汽輪機(jī)出口管線Fig.3 Steam line connecting with discharge of turbine

運(yùn)用CAESARII 軟件對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)出口管線進(jìn)行應(yīng)力分析，得到汽輪機(jī)管口處的載荷如表2所示。經(jīng)過(guò)核算，管口載荷滿足NEMA SM23的要求，因此認(rèn)為設(shè)計(jì)時(shí)管道對(duì)汽輪機(jī)的推力不會(huì)影響汽輪機(jī)的正常運(yùn)行。

表2 原設(shè)計(jì)時(shí)的汽輪機(jī)進(jìn)出口上的管口載荷Tab.2 Nozzle loads on the suction and discharge of the turbine for the initial design

3 現(xiàn)場(chǎng)第一次開(kāi)車(chē)時(shí)的問(wèn)題及情況分析

2016年6月在汽輪機(jī)第一次開(kāi)車(chē)時(shí)，曾發(fā)生汽輪機(jī)缸體被頂起的情況，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)進(jìn)出口管道上的彈簧支吊架定位銷(xiāo)都沒(méi)有被移除，因此可以判斷該問(wèn)題由以下兩種情況引起。

（1）在管道施工時(shí)，沒(méi)有對(duì)汽輪機(jī)管道的管口進(jìn)行無(wú)應(yīng)力安裝，彈簧支吊架的荷載也沒(méi)有根據(jù)實(shí)際管道的荷重調(diào)整。

（2）由于彈簧支吊架上的定位銷(xiāo)沒(méi)有移除，彈簧支吊架無(wú)法隨管道熱膨脹產(chǎn)生變形，所以實(shí)際上變成了剛性支架，此時(shí)原設(shè)計(jì)的管道向下熱膨脹變形被限制，從而在管道中產(chǎn)生了向上的額外推力，這個(gè)向上的額外推力使得汽輪機(jī)缸體發(fā)生頂起，如圖4所示。

圖4 彈簧支架熱位移示意Fig.4 The movement of the spring support on the stream line

對(duì)管道系統(tǒng)重新進(jìn)行無(wú)應(yīng)力安裝并按要求移除彈簧支吊架的定位銷(xiāo)，無(wú)應(yīng)力安裝步驟按照API RP 686—2009 《機(jī)械設(shè)備安裝和安裝設(shè)計(jì)的推薦實(shí)施規(guī)程》第6章附錄B和附錄D 推薦的程序執(zhí)行，再次開(kāi)車(chē)到2016年底，汽輪機(jī)一直順利運(yùn)行，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上各項(xiàng)參數(shù)正常平穩(wěn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生偏移的情況分析

汽輪機(jī)順利開(kāi)車(chē)運(yùn)行一段時(shí)間后，在2016年底到2017年2月發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)軸連續(xù)向一個(gè)方向偏移，數(shù)值由+4.0 mil 逐漸下降，最低降至-7.2 mil，截止5月底軸位移達(dá)到-9.01 mil，經(jīng)初步判斷汽輪機(jī)進(jìn)出口管道上的推力仍存在過(guò)大的情況。

管道設(shè)計(jì)者再次對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)出口管道走向和支吊架的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行檢查和分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）原設(shè)計(jì)的進(jìn)口管道由于管道直徑只有DN 150，管道柔性較好，現(xiàn)場(chǎng)所有的支架和原設(shè)計(jì)相符合，彈簧支架處的變形與原設(shè)計(jì)也相一致，所以判斷進(jìn)口管道不是產(chǎn)生汽輪機(jī)軸位移的原因。

（2）對(duì)汽輪機(jī)出口管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查，發(fā)現(xiàn)：

① 原設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)汽輪機(jī)出口管道調(diào)節(jié)閥組的支架設(shè)計(jì)為一端滑動(dòng)（節(jié)點(diǎn)410），另一端固定（節(jié)點(diǎn)560），核查應(yīng)力計(jì)算報(bào)告發(fā)現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)410的彎頭處，管道向負(fù)Z方向（東向）位移量為50 mm，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)支架的位移量?jī)H為5 mm 左右，如圖5、圖6所示，因此可以判斷管道的熱膨脹向著原設(shè)計(jì)的反方向即正Z方向發(fā)生了偏移。

② 沿著汽輪機(jī)出口管道的走向再次核查到節(jié)點(diǎn)325 處的限位支架時(shí)，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)時(shí)限位支架受到的水平推力為31 850 N，對(duì)該支吊架圖紙進(jìn)行復(fù)查，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支吊架及其生根部位進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)支吊架本身的設(shè)計(jì)是滿足剛度要求的，但是支吊架生根處的鋼梁十分單薄，僅為［16a，不能夠滿足剛度要求，如圖5、圖7所示，現(xiàn)場(chǎng)檢查也發(fā)現(xiàn)該限位支架的生根梁發(fā)生了變形。

按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)原有管道進(jìn)行重新應(yīng)力計(jì)算，在410 點(diǎn)增加5 mm的約束，在325 處的限位支架上增加剛度值，使其與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況一致，此時(shí)汽輪機(jī)管口的受力如表3所示。

圖5 汽輪機(jī)出口管道現(xiàn)場(chǎng)核查Fig.5 The sketch of steam line connecting with turbine

圖6 節(jié)點(diǎn)410 處現(xiàn)場(chǎng)支架Fig.6 Pipe support on the node 410

圖7 節(jié)點(diǎn)325 處現(xiàn)場(chǎng)支架Fig.7 Pipe support on the node 325

表3 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支吊架情況計(jì)算后的汽輪機(jī)進(jìn)出口上管口載荷Tab.3 Nozzle loads on the suction and discharge of the turbine according to the actual situation

經(jīng)過(guò)核算，發(fā)現(xiàn)與汽輪機(jī)出口管道相連的管口上的受力MY和MZ的力矩遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)值，不能夠滿足NEMA SM23的要求。因此可以判斷，現(xiàn)場(chǎng)汽輪機(jī)軸的偏移是由于現(xiàn)場(chǎng)支吊架的實(shí)際情況與原有設(shè)計(jì)不一致，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)管道產(chǎn)生的實(shí)際推力大于原設(shè)計(jì)時(shí)的推力值引起的。

5 改進(jìn)方案

保持汽輪機(jī)進(jìn)口管道原有設(shè)計(jì)不動(dòng)，重新對(duì)汽輪機(jī)出口管道走向及支吊架進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到調(diào)節(jié)閥組處的管道重量較為集中，由此產(chǎn)生的摩擦力相對(duì)較大，使得管道在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的情況與理論計(jì)算有一定的偏差，在計(jì)算時(shí)對(duì)調(diào)節(jié)閥附近的滑動(dòng)支架增加了水平方向的約束，使其的計(jì)算位移與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際位移情況相一致，同時(shí)對(duì)調(diào)節(jié)閥組附近的管道走向進(jìn)行了修改，增加了局部的管道柔性，如圖8所示；另外，對(duì)節(jié)點(diǎn)325 處的限位支架生根處進(jìn)行了加固，增加該限位支架的剛度，使得現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況與理論計(jì)算基本相吻合，經(jīng)計(jì)算，修改后的汽輪機(jī)管口受力情況如表4所示。

圖8 優(yōu)化后汽輪機(jī)出口管線Fig.8 The modified drawing of thesteam line connecting with turbine discharge

表4 修改后的汽輪機(jī)進(jìn)出口上管口載荷Tab.4 Nozzle loads on the suction and discharge of the turbine after modification

經(jīng)過(guò)核算，修改后的管道推力能夠滿足NEMA SM23的要求，因此可以認(rèn)為重新設(shè)計(jì)后的汽輪機(jī)進(jìn)出口管道是合理的。

該石化裝置利用大修期間對(duì)汽輪機(jī)的進(jìn)出口管道按改進(jìn)方案的圖紙進(jìn)行了重新施工，再次開(kāi)車(chē)后一直平穩(wěn)運(yùn)行至今。

6 結(jié)論

在汽輪機(jī)進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)時(shí)，合理設(shè)計(jì)布置汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)出口管道的走向、支架位置和型式等十分重要[5]，除了按照SH/T 3012—2011《石油化工管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)以外，尚需注意以下幾點(diǎn)：

（1）為防止汽輪機(jī)組運(yùn)行時(shí)承受額外的載荷，在對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)出口管道安裝時(shí)要做到無(wú)應(yīng)力安裝[6]。

（2）在對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)出口管道進(jìn)行無(wú)應(yīng)力安裝后，先檢查管線上的彈簧支吊架定位銷(xiāo)是否已經(jīng)全部移除，以防管線運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差造成汽輪機(jī)運(yùn)行異常。

（3）檢查現(xiàn)場(chǎng)支吊架的設(shè)計(jì)是否和原設(shè)計(jì)一致，特別是對(duì)于承受水平推力的軸向限位支架，除了要保證管道支架的強(qiáng)度以外，還要保證管道支架的剛度足夠大，以確?，F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況與原設(shè)計(jì)時(shí)的理論計(jì)算相一致。