大型空分機組蒸汽流量計加固夾具設(shè)計與應(yīng)用

時傳興

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州 253000）

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355.6307.94 m，流量計本體430307.94 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。

圖1 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。

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

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。

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

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。

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

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)介質(zhì)作用在管道上的拉力計算；可知，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30 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。

圖2 夾具安裝