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大型空分机组蒸汽流量计加固夹具设计与应用

时间:2019/07/08来源:未知

摘要:设计一种高强度且耐高温的夹具, 对可能存在焊接缺陷的喷嘴式蒸汽流量计进行了临时性在线加固。通过加固夹具的设计与应用, 有效避免了潜在缺陷对高压蒸汽管道造成的不良影响。

0、引言:

  喷嘴蒸汽流量计[1]在空分机组中应用广泛, 主要用于测量汽轮机蒸汽流量, 是反映压缩机运行效率参数的重要设备之一。某企业大型空分装置100 000 m3/h (O2) 机组S98蒸汽压力管道上设置了喷嘴式蒸汽流量计, 由于制造厂家疏忽, 流量计中部环焊缝存在焊材选用错误的可能性, 但是因温度过高不具备在线焊缝处材料确认和无损检测条件。因此, 需要一种高强度且耐高温的夹具对流量计焊缝进行临时性在线加固, 同时进行实时监控, 根据实际情况及时调整生产模式, 避免流量计发生蒸汽泄漏造成事故。

1、流量计参数及潜在缺陷:

  存在可能性缺陷的流量计水平安装在汽轮机入口前S98主蒸汽压力管道上, 日常运行压力9 MPa, 运行温度达540℃, 流量范围 (159~260) t/h, 基本设备参数:主要受压元件材料A335 GR.P91, 喷嘴设计压力10.31 MPa/温度545℃, 管道规格Φ355.6×307.94 m, 流量计本体Φ430×307.94 mm。流量计主要由2个左右对称的导管焊接而成, 如果选用不适应该运行温度下的焊材进行焊接, 中部焊缝和锻件母材熔合面位置会存在开裂泄漏的可能性。流量计结构和缺陷位置如图1所示。

图1 喷嘴蒸汽流量计外形及缺陷位置

图1 喷嘴蒸汽流量计外形及缺陷位置

2、夹具设计:

2.1、紧固夹具计算:

  夹具的厚度和外径需要进行强度计算。本管道内介质为高压蒸汽, 温度为540℃, 决定夹具采用304不锈钢材料, 螺栓采用GH4145材料。

  (1) 夹具设计不但要考虑强度, 而且要考虑刚性。紧固夹具的计算厚度S, 按式 (1) [2]计算。

计算公式 

 

  式中S———夹具计算厚度, mm

P———夹具设计压力, MPa

D———管道外直径, mm

[σ]t——管道内介质工作温度下夹具材料 (304不锈钢) 的许用应力为91 MPa

Φ———焊接接头系数。无焊接, 焊接系数Φ取1。

  P修正为P=PL+5 MPa, 其中, PL是管道运行压力。夹具厚度为130 mm, 满足强度要求, 夹具在管道系统压力下不会破坏和变形, 因设计时选用更高压力。

(2) 紧固夹具螺栓连接耳板厚度t, 按式 (2) [2]计算。

计算公式 

 

  式中C———夹具密封空腔宽度, mm

L1———耳板双螺栓孔中心线至紧固夹具外侧面的距离, mm

P———夹具设计压力, MPa

D———管道外直径, mm

a———夹具耳板的宽度, mm

[σ]t——管道内介质工作温度下夹具材料 (304不锈钢) 的许用应力为91 MPa

   耳板厚度为120 mm, 满足强度要求, 夹具在管道系统压力下不会破坏和变形, 因设计时选用更高压力。

(3) 紧固夹具连接螺栓计算。该螺栓用于紧固2个对半的夹具构件, 每个夹具用2个螺栓连接, 紧固夹具连接螺栓的小径d1, 按式 (3) [2]计算。

计算公式 

 

式中d1———计算小径, mm

Ck——预紧和刚性系数, Ck=1.5

C———夹具密封空腔宽度, mm

P———夹具设计压力, MPa

D———管道外直径, mm

n———连接螺栓数量

[σ]t———介质工作温度下夹具材料 (GH4145) 的许用应力, MPa

  连接螺栓为30 mm, 满足强度要求, 夹具在管道系统压力下不会破坏和变形, 因设计时选用更高压力。

(4) 紧固夹具轴向连接螺栓强度校核。GH4145合金是一种镍基耐高温合金, 具有优良的成形性能[3], 棒材可用于高强度的螺栓加工, 近似牌号为Inconel X-750。在545℃时, 材料的屈服强度400 MPa, 取安全系数为2, 则许用应力用为200 MPa。M30螺栓时螺纹小径为27 mm, 现计算单跟螺栓在545℃时的屈服强度为229 kN。沿管道轴向方向设计16个连接螺栓, 可承受总拉力F1为3664 kN;管道内介质作用在管道上的拉力计算F2=PL×S=64.2 kN;可知F1>F2, 强度校核合格。

2.2、夹具外形设计:

  加固夹具采用两半对称式结构, 组装后的内圆内径可以通过对比喷嘴蒸汽流量计图纸和现场测绘进行确定, 由于导管外径357 mm, 现选用夹具内径为359 mm;按照计算结果进行尺寸设计。

3、安装施工:

(1) 施工前对管道进行一定程度的泄压降温处理, 保证安全作业环境, 同时拆除流量计处保温并对管道表面清理。

(2) 根据现场焊缝部位, 进行测量管道的外部尺寸, 绘制紧固夹具图纸。

(3) 根据管道介质, 温度、压力, 选用和母材相近或高于母材性能的材料制作紧固夹具。

(4) 工时需穿戴安全带;管内介质温度压力较高, 施工时需采取相应的防护措施。

(5) 施工人员分别在两片紧固夹具上焊接拉环。

(6) 把制作好的两片紧固夹具分别安装到管道连接焊口的两侧, 匀速紧固螺栓。

(7) 使用连接螺栓将两片紧固夹具连接, 防止管道连接焊缝崩开 (螺栓拧紧时应对称紧固, 避免受力不均) 。

(8) 在紧固夹具上方框架顶部钢梁上焊接槽钢, 并在槽钢上焊接吊环夹具, 然后使用Φ30 mm, 长3200 mm的螺丝杠与紧固夹具的拉环连接, 避免夹具对管道造成损害。

(9) 清理打扫现场, 施工人员离开。

夹具安装示意见图2。

4、结语:

图2 夹具安装

图2 夹具安装

  通过现场测绘和强度计算, 设计了一种高强度且耐高温的夹具, 可以对可能存在缺陷的流量计进行了临时性在线加固。同时采取实时监控, 并调整生产模式以便于夹具的安装施工。通过夹具的设计与成功应用, 有效避免潜在缺陷造成的管道开裂造成的不良影响, 保证装置的平稳运行。


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