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        大型空分機組蒸汽流量計加固夾具設計與應用

        發布時間:2019-11-27 11:15:17 瀏覽:

        0 引言

        噴嘴蒸汽流量計[1]在空分機組中應用廣泛, 主要用于測量汽輪機蒸汽流量, 是反映壓縮機運行效率參數的重要設備之一。某公司大型空分裝置100 000 m3/h (O2) 機組S98蒸汽壓力管道上設置了噴嘴式蒸汽流量計, 由于制造廠家疏忽, 流量計中部環焊縫存在焊材選用錯誤的可能性, 但是因溫度過高不具備在線焊縫處材料確認和無損檢測條件。因此, 需要一種高強度且耐高溫的夾具對流量計焊縫進行臨時性在線加固, 同時進行實時監控, 根據實際情況及時調整生產模式, 避免流量計發生蒸汽泄漏造成事故。

        1 流量計參數及潛在缺陷

        存在可能性缺陷的流量計水平安裝在汽輪機入口前S98主蒸汽壓力管道上, 日常運行壓力9 MPa, 運行溫度達540℃, 流量范圍 (159~260) t/h, 基本設備參數:主要受壓元件材料A335 GR.P91, 噴嘴設計壓力10.31 MPa/溫度545℃, 管道規格Φ355.6×307.94 m, 流量計本體Φ430×307.94 mm。流量計主要由2個左右對稱的導管焊接而成, 如果選用不適應該運行溫度下的焊材進行焊接, 中部焊縫和鍛件母材熔合面位置會存在開裂泄漏的可能性。流量計結構和缺陷位置如圖1所示。

        圖1 噴嘴蒸汽流量計外形及缺陷位置

        圖1 噴嘴蒸汽流量計外形及缺陷位置   下載原圖

        2 夾具設計

        2.1 緊固夾具計算

        夾具的厚度和外徑需要進行強度計算。本管道內介質為高壓蒸汽, 溫度為540℃, 決定夾具采用304不銹鋼材料, 螺栓采用GH4145材料。

        (1) 夾具設計不但要考慮強度, 而且要考慮剛性。緊固夾具的計算厚度S, 按式 (1) [2]計算。

         

        式中S———夾具計算厚度, mm

        P———夾具設計壓力, MPa

        D———管道外直徑, mm

        [σ]t——管道內介質工作溫度下夾具材料 (304不銹鋼) 的許用應力為91 MPa

        Φ———焊接接頭系數。無焊接, 焊接系數Φ取1。

        P修正為P=PL+5 MPa, 其中, PL是管道運行壓力。夾具厚度為130 mm, 滿足強度要求, 夾具在管道系統壓力下不會破壞和變形, 因設計時選用更高壓力。

        (2) 緊固夾具螺栓連接耳板厚度t, 按式 (2) [2]計算。

         

        式中C———夾具密封空腔寬度, mm

        L1———耳板雙螺栓孔中心線至緊固夾具外側面的距離, mm

        P———夾具設計壓力, MPa

        D———管道外直徑, mm

        a———夾具耳板的寬度, mm

        [σ]t——管道內介質工作溫度下夾具材料 (304不銹鋼) 的許用應力為91 MPa

        耳板厚度為120 mm, 滿足強度要求, 夾具在管道系統壓力下不會破壞和變形, 因設計時選用更高壓力。

        (3) 緊固夾具連接螺栓計算。該螺栓用于緊固2個對半的夾具構件, 每個夾具用2個螺栓連接, 緊固夾具連接螺栓的小徑d1, 按式 (3) [2]計算。

         

        式中d1———計算小徑, mm

        Ck——預緊和剛性系數, Ck=1.5

        C———夾具密封空腔寬度, mm

        P———夾具設計壓力, MPa

        D———管道外直徑, mm

        n———連接螺栓數量

        [σ]t———介質工作溫度下夾具材料 (GH4145) 的許用應力, MPa

        連接螺栓為30 mm, 滿足強度要求, 夾具在管道系統壓力下不會破壞和變形, 因設計時選用更高壓力。

        (4) 緊固夾具軸向連接螺栓強度校核。GH4145合金是一種鎳基耐高溫合金, 具有優良的成形性能[3], 棒材可用于高強度的螺栓加工, 近似牌號為Inconel X-750。在545℃時, 材料的屈服強度400 MPa, 取安全系數為2, 則許用應力用為200 MPa。M30螺栓時螺紋小徑為27 mm, 現計算單跟螺栓在545℃時的屈服強度為229 kN。沿管道軸向方向設計16個連接螺栓, 可承受總拉力F1為3664 kN;管道內介質作用在管道上的拉力計算F2=PL×S=64.2 kN;可知F1>F2, 強度校核合格。

        2.2 夾具外形設計

        加固夾具采用兩半對稱式結構, 組裝后的內圓內徑可以通過對比噴嘴蒸汽流量計圖紙和現場測繪進行確定, 由于導管外徑357 mm, 現選用夾具內徑為359 mm;按照計算結果進行尺寸設計。

        3 安裝施工

        (1) 施工前對管道進行一定程度的泄壓降溫處理, 保證安全作業環境, 同時拆除流量計處保溫并對管道表面清理。

        (2) 根據現場焊縫部位, 進行測量管道的外部尺寸, 繪制緊固夾具圖紙。

        (3) 根據管道介質, 溫度、壓力, 選用和母材相近或高于母材性能的材料制作緊固夾具。

        (4) 工時需穿戴安全帶;管內介質溫度壓力較高, 施工時需采取相應的防護措施。

        (5) 施工人員分別在兩片緊固夾具上焊接拉環。

        (6) 把制作好的兩片緊固夾具分別安裝到管道連接焊口的兩側, 勻速緊固螺栓。

        (7) 使用連接螺栓將兩片緊固夾具連接, 防止管道連接焊縫崩開 (螺栓擰緊時應對稱緊固, 避免受力不均) 。

        (8) 在緊固夾具上方框架頂部鋼梁上焊接槽鋼, 并在槽鋼上焊接吊環夾具, 然后使用Φ30 mm, 長3200 mm的螺絲杠與緊固夾具的拉環連接, 避免夾具對管道造成損害。

        (9) 清理打掃現場, 施工人員離開。

        夾具安裝示意見圖2。

        4 結語

        圖2 夾具安裝

        圖2 夾具安裝   下載原圖

        通過現場測繪和強度計算, 設計了一種高強度且耐高溫的夾具, 可以對可能存在缺陷的流量計進行了臨時性在線加固。同時采取實時監控, 并調整生產模式以便于夾具的安裝施工。通過夾具的設計與成功應用, 有效避免潛在缺陷造成的管道開裂造成的不良影響, 保證裝置的平穩運行。

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