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大型空分機組蒸汽流量計加固夾具設(shè)計與應(yīng)用

作時間:2019-08-02  來源:  作者:
   

 摘 要:設(shè)計一種高強度且耐高溫的夾具,對可能存在焊接缺陷的噴嘴式蒸汽流量計進(jìn)行了臨時性在線加固。通過加固夾具的設(shè)計與應(yīng)用,有效避免了潛在缺陷對高壓蒸汽管道造成的不良影響。IWl壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
0 引言
噴嘴蒸汽流量計[1]在空分機組中應(yīng)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(shù)的重要設(shè)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(shè)置了噴嘴式蒸汽流量計,由于制造廠家疏忽,流量計中部環(huán)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(rèn)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(jìn)行臨時性在線加固,同時進(jìn)行實時監(jiān)控,根據(jù)實際情況及時調(diào)整生產(chǎn)模式,避免流量計發(fā)生蒸汽泄漏造成事故。
 
1 流量計參數(shù)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(dá) 540 ℃,流量 范 圍(159 ~260)t/h,基 本 設(shè)備 參 數(shù) : 主 要 受 壓 元 件 材 料A335 GR.P91,噴嘴設(shè)計壓力10.31 MPa/溫度 545 ℃,管道規(guī)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(dǎo)管焊接而成,如果選用不適應(yīng)該 運 行 溫 度 下 的 焊 材 進(jìn) 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(jié)構(gòu)和缺陷位置如圖 1 所示。
噴嘴蒸汽流量計外形 及缺陷位置
2 夾具設(shè)計
2.1 緊固夾具計算
夾具的厚度和外徑需要進(jìn)行強度計算。本管道內(nèi)介質(zhì)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(shè)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。
20190802154529.jpg
式中 S———夾具計算厚度,mm
P———夾具設(shè)計壓力,MPa
D———管道外直徑,mm
[σ]t ———管道內(nèi)介質(zhì)工作溫度下夾具材料(304 不銹鋼)的許用應(yīng)力為 91 MPa
Φ———焊接接頭系數(shù)。無焊接,焊接系數(shù) 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(tǒng)壓力下不會破壞和變形,因設(shè)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。
20190802154535.jpg
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(cè)面的距離,mm
P———夾具設(shè)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(nèi)介質(zhì)工作溫度下夾具材料(304 不銹鋼)的許用應(yīng)力為 91 MPa耳板厚度為 120 mm,滿足強度要求,夾具在管道系統(tǒng)壓力下不會破壞和變形,因設(shè)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(gòu)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。
20190802154541.jpg
式中 d1———計算小徑,mm
Ck———預(yù)緊和剛性系數(shù),Ck=1.5
C———夾具密封空腔寬度,mm
P———夾具設(shè)計壓力,MPa
D———管道外直徑,mm
n———連接螺栓數(shù)量
[σ]t———介質(zhì)工作溫度下夾具材料(GH4145)的許用應(yīng)力,MPa
 
連接螺栓為 30 mm,滿足強度要求,夾具在管道系統(tǒng)壓力下不會破壞和變形,因設(shè)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(yōu)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(shù)為 2,則許用應(yīng)力用為200 MPa。M30 螺栓時螺紋小徑為 27 mm,現(xiàn)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(shè)計 16 個連接螺栓,可承受總拉力 F1 為 3664 kN;管道內(nèi)介謘hou饔迷詮艿郎系睦撲?F2=PL×S=64.2 kN;可知 F1>F2,強度校核合格。
 
2.2 夾具外形設(shè)計
加固夾具采用兩半對稱式結(jié)構(gòu),組裝后的內(nèi)圓內(nèi)徑可以通過對比噴嘴蒸汽流量計圖紙和現(xiàn)場測繪進(jìn)行確定,由于導(dǎo)管外徑 357 mm,現(xiàn)選用夾具內(nèi)徑為 359 mm;按照計算結(jié)果進(jìn)行尺寸設(shè)計。
 
3 安裝施工
(1)施工前對管道進(jìn)行一定程度的泄壓降溫處理,保證安全作業(yè)環(huán)境,同時拆除流量計處保溫并對管道表面清理。
(2)根據(jù)現(xiàn)場焊縫部位,進(jìn)行測量管道的外部尺寸,繪制緊固夾具圖紙。
(3)根據(jù)管道介質(zhì),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(nèi)介質(zhì)溫度壓力較高,施工時需采取相應(yīng)的防護(hù)措施。
(5)施工人員分別在兩片緊固夾具上焊接拉環(huán)。
(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(cè),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(yīng)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(huán)夾具,然后使用 Φ30 mm,長 3200 mm 的螺絲杠與緊固夾具的拉環(huán)連接,避免夾具對管道造成損害。
(9)清理打掃現(xiàn)場,施工人員離開。夾具安裝示意見圖 2。
 
4 結(jié)語
通過現(xiàn)場測繪和強度計算,設(shè)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(jìn)行了臨時性在線加固。同時采取實時監(jiān)控,并調(diào)整生產(chǎn)模式以便于夾具的安裝施工。通過夾具的設(shè)計與成功應(yīng)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(wěn)運行。
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