除氧箱的設計應用

賈 蕓 童金生

（中國船舶重工集團公司第七O三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151）

1 概述

汽輪給水泵機組在船上實際運行時，凝水泵從主機冷凝器吸水排至除氧器，增壓泵自除氧器吸水一次增壓后排入給水泵，經給水泵二次增壓后排至增壓鍋爐，為鍋爐提供除氧水。在汽輪給水泵機組陸上試驗中除氧箱模擬實船上增壓鍋爐和除氧器，通過箱體的設計和有效布置解決了箱體容積、灌注頭、真空度難以兼顧的問題，使機組在各種工況下安全、可靠地運行。

除氧箱

除氧箱的基本原理

除氧箱模擬實船中的除氧器和增壓鍋爐，增壓泵自除氧箱吸水，增壓泵出水通過機組自帶的連通管排入給水泵進口，再通過給水泵排至除氧箱。

除氧箱的設計計算

在此次試驗中，要求增壓泵進口灌注高度大于3米，受廠房條件的限制，兩只除氧箱為立式布置。每只除氧箱的有效容積為20m3，除氧箱殼體內徑φ2.4m，高度5.6m，筒體壁厚12㎜（見圖2 除氧箱外形結構圖）。并對箱體進行了應力校核計算，保證了箱體的使用安全。

圖2 除氧箱外形結構圖

表1 鋼材厚度負偏差 mm

除氧箱內部設有擋流板，水泵回水從除氧箱上部進入時，由于擋流板的作用減小了回水對除氧箱中水流的擾動，使除氧箱水位保持恒定（即水泵進口壓力穩定），有利于試驗的正常進行。根據設計要求，除氧箱上部設有噴嘴加熱器裝置。除氧箱頂部設有全啟式安全閥，安全閥整定壓力為0.026 MPa；底部設有排污閥，在筒體側面設有兩個檢修人孔。

以下是除氧箱的設計計算過程：

1）除氧箱設計參數

設計壓力：0.095MPa；工作壓力：0.02MPa；設計溫度：300℃；工作溫度：104℃；有效容積：20m3；焊縫系數：0.7；腐蝕裕度：2mm；工作介質：水、水蒸汽；加熱蒸汽壓力：≤1.6MPa；加熱蒸汽溫度：≤300℃；進水溫度：20℃。

2）除氧箱制造選材原則

除氧箱殼體：Q235A；除氧箱端蓋：Q235A，橢圓成形封頭；蒸汽加熱管：20G；蒸汽加熱噴嘴：20；結構用鋼：Q235A。

3）除氧箱殼體壁厚計算

除氧箱底部液注高度由圖2可知為4090㎜（橢圓成形封頭高度為640㎜）

底部液注壓力：

式中 p——設計壓力，MPa。

由于除氧箱底部液注壓力大于設計壓力的5%，因此計算壓力：

pc＝ p + p液＝0.095+0.04＝0.135 MPa

a. 圓筒厚度計算

因為 pc＜0.4[σ]tφ＝0.4×86×0.7＝24 MPa

式中 φ——焊縫系數；

[σ]t——材料的在設計溫度下的許用應力，MPa，[σ]t=86MPa。

所以圓筒壁厚：

式中 Di——圓筒內徑，mm；

對于碳鋼和低合金鋼容器，當Di≤3800㎜時，其最小壁厚δmin≥2Di/1000且不小于4㎜，腐蝕裕量另加。

因 此， 圓 筒 厚 度：δ=δmin+ C2=4.8+2=6.8mm

式中 C2——腐蝕裕量，mm，取C2＝2㎜。

經圓整取圓筒名義厚度δn=12mm，則有效厚度： δe=δn-C =12-2.8=9.2mm

厚 度 附 加 量： C=C1+C2 =0.8+2=2.8mm

式中 C1——鋼材厚度負偏差，mm，見表1

b. 圓筒強度校核計算

（1）圓筒工作應力校核：

（2）圓筒最大允許工作壓力校核：

因此，經計算校核圓筒工作應力和最大允許工作壓力均符合要求。

c. 水壓試驗應力校核計算

水壓試驗壓力PT′應為：

式中 PT——按表2規定的試驗壓力，MPa；

［σ］——試驗溫度下材料的許用應力，MPa。150℃以下，其［σ］＝113 MPa；

表2 試驗壓力 MPa

由表2可知，對除氧箱而言，PT≮0.095+0.098＝0.193 MPa

即 PT ′ ≮ 0.193×113/86＝0.254MPa

從安全角度出發，取PT′＝0.5MPa水壓試驗前，應按下式校核圓筒應力

式中 σT——試驗壓力下的圓筒應力，MPa；

σs（σ0.2）——圓筒材料在試驗溫度下的屈服點（或0.2%屈服強度），MPa。常溫下，Q235A的屈服強度σs＝235 MPa。由計算可知，當以0.5 MPa壓力進行水壓試驗時，圓筒應力符合要求。

結語

此除氧箱經歷了數臺套汽輪給水泵機組的陸上試驗的驗證，更甚者經受了長時間連續運行的考驗，運行過程中未出現問題，體現了它的安全性、可靠性和合理性。該試驗臺填補了國內空白，研制技術水平達到了國內領先，為我國進行大型綜合性汽輪輔機陸上聯調試驗平臺的研制工作積累了寶貴經驗，奠定了良好的基礎。

[1]董大勤，袁鳳隱，壓力容器設計手冊，化學工業出版社，2006

[2]中國國家標準化管理委員會 ，壓力容器（Pressure vessels）（GB 150-2011），中國標準出版社，2011.