余熱鍋爐高溫高壓管道應力分析及應用探索

李復生 劉朕成 唐君

摘要：為了更好地實現垃圾焚燒電廠余熱鍋爐長期穩定運行，提高管道安全性，防止管道爆裂造成人身傷害和經濟損失，不少企業采用AutoPIPE軟件對余熱鍋爐高溫高壓管道建模、仿真模擬分析管道應力。同時，采取管道建立模型、選取材料、計算管道強度和剛度選定跨距、分析模型應力分和安全性判定等一系列措施，以實現管道的安全設計及運用。AutoPIPE軟件程序可以在余熱鍋爐高溫高壓管道的設計、驗算和安全評定上實現自動化、高效化。根據多年經驗積累，筆者所在企業確立了一套管道模擬應力分析方法，大大提高了管道的設計效率和使用的安全性能，并已廣泛應用于垃圾焚燒領域，可有效滿足生活垃圾焚燒電廠的供應鏈需求。

關鍵詞：垃圾焚燒；管道應力；自動化；安全性能

隨著城市化進程的加快，城鄉生活垃圾量越來越大。截至2018年年底，全國共建成垃圾焚燒電廠364座，并且新建垃圾焚燒電廠數量仍然在不斷增長。越來越多的垃圾焚燒電廠在建或者投入運行，而余熱鍋爐的高溫高壓管道穩定高效運行問題日益引起業界人士的關注。管道輸送的介質是高溫高壓介質，因此，對管道品質要求非常嚴格。為確保管道及配合連接設備的安全可靠，管道設計必須通過應力分析判斷其安全性和合理性，對整個焚燒發電廠運行起到關鍵性的影響。但目前部分垃圾焚燒電廠對高溫高壓管道選用不夠重視，經常出現管道泄漏，甚至爆管等情況，從而導致停爐，嚴重影響鍋爐的安全、穩定運行 。

當前，垃圾焚燒行業發展迅猛，高溫高壓管道應力分析與計算作為管道設計的基礎逐漸被重視，并取得了較大的進步。高溫高壓管道應力分析作為管道設計是否安全合理的判斷手段，對企業安全生產、成本控制及現場安裝都起著關鍵性的作用 。

一、管道應力分析

（一） 應力分析的目的

（1）保證管道應力在規定的允許范圍內，防止管道受到過載應力，導致金屬材料疲勞從而引起管道破壞。

（2）管道裝置的管口符合使用要求或公認標準。

（3）通過計算管道強度和剛度選定跨距，布置合適的管道支吊架。

（4）解決管道過載、變形問題。

（5）輔助配管優化設計。

（二）應力分析的規定和要求

管道應力分析應遵循相應規定和要求，一般包括以下6個方面：

（1）高溫高壓管道在受到外力的載荷工況下，需在應力分析中給定方法和安全判定規范。

（2）在做高溫高壓管道應力分析時，應考慮管道的強度和剛度。

（3）在選取高溫高壓管道支吊架時，應考慮彈簧支吊架、恒力吊架、固定支架、滑動支架、油壓阻尼器、導向支架、剛性吊架、剛性支架、限位形吊架的適用范圍和特點，合理布置，在保證支架強度安全的前提下，減小管道應力。

（4）管道應力分析應采用必要的軟件作為輔助手段。

（5）管道應力需滿足安全評定條件。

（6）滿足業主的特殊要求。

（三） 應力分析的主要內容

管道應力分析分為靜應力分析和動應力分析兩類。

1.靜應力力分析

（1）計算管道中的應力并使之滿足標準規范的要求，保證管道安全（包括防止法蘭泄漏）。

（2）計算管道對與其相連的機器、設備的作用力，并使之滿足標準規范的要求，保證機器設備的安全。

（3）計算管道對支吊架和土建結構的作用力，為支吊架和體檢結構的設計提供依據，保證支吊架和土建結構安全。

（4）計算管道位移，防止位移過大造成支架脫落或管道碰撞，并為彈簧支吊架的選用提供依據。

2.動應力分析

（1）管道熱膨脹狀態下應力分析，防止管道受熱膨脹，熱位移超限，導致管道發生撕裂。

（2）管道地震力狀態下應力分析，防止管道在受地震力，水平方向位移超限，導致管道發生撕裂。

（3）機械傳動壓縮機等管道的強迫振動分析，控制管道的振動應力，防止管道因振動發生疲勞破壞。

（4）常采用的有模態分析和自然頻率分析、反應波譜分析、衰減諧波分析以及時程分析等。

綜上所述，在應力分析過程中，應根據管道選用材料、壓力、溫度及受力載荷工況，優化管道路徑，實現管道安全。

二、管道應力分析載荷工況

應力分析過程中管道可能存在的載荷工況，主要包含以下9個方面：

（1）重力荷載：包括管道自重、保溫重、介質重和積雪重等。

（2）壓力荷載：壓力載荷包括內壓力和外壓力。

（3）位移荷載：位移載荷包括管道熱脹冷縮位移、端點附加位移、支承沉降等。

（4）風荷載。

（5）地震荷載。

（6）瞬變流沖擊荷載：如安全閥啟跳或閥門的快速啟閉時的壓力沖擊。

（7）兩相流脈動荷載。

（8）壓力脈動荷載：如往復壓縮機往復運動所產生的壓力脈動。

（9）機械振動荷載：如回轉設備的振動。

三、管道應力分析過程

采用AutoPIPE程序對管道建模：

（1）按照高溫高壓管道設計路徑建立模型。

（2）選取管道規格及材料屬性（圖1）。

（3）管道跨距計算后，確定在適當的位置布置支吊架。高溫高壓管道跨距計算，如圖2所示。

對高溫高壓管道設置對應溫度、壓力、風載、加速度等外部載荷工況（圖3）。

綜上所述，高溫高壓管道應力分析模型建立完畢，如圖4所示。

四、管道應力分析結果及安全評定

（一）應力分析結果

按照建立模型，采用AutoPIPE程序模擬分析（應力比＜1，合格），如圖5所示。

（二）應力分析安全評定

管道輸送的是高溫高壓介質，因此，對管道品質要求非常嚴格。為確保管道及配合連接設備的安全可靠，管道設計必須通過應力分析判斷其安全性和合理性，同時要滿足安全評定的要求。當這些條件不能滿足時，管道應力分析結果不合格，就必須通道改變管道布置及支吊架形式和位置，最終達到安全評定的要求。例如，上述模型當應力分析條件不滿足時，采用AutoPIPE程序進行模擬分析結果不合格，如圖6所示。

通過綜合調整優化高溫高壓管道規格、材料屬性、管道布置及模支吊架形式和位置等，管道應力分析結果合格，達到安全評定的要求。

（三）管道應力分析應用

以江蘇興化垃圾焚燒電廠項目為例，該項目額定垃圾處理能力350t/d、額定蒸發量30t/h，主蒸汽管道使用壓力4.0 MPa、溫度400 ℃ ，投產使用效果良好。其中，主蒸汽管道采用應力分析進行安全評定后運行，連續運行3年，無泄漏、無爆管、無變形，這也成為公司典型性示范項目。該項目高溫高壓管道總裝實例，如圖7所示。

五、 結語

綜上所述， 經過不斷總結、歸納、優化高溫高壓管道應力分析，通過選取管道材料，調整管道跨距計算布置以及支吊架，并采用AutoPIPE軟件安全判定的方法，可有效提高安全生產、優化設計、節約材料，達到高溫高壓管道的安全使用標準。

企業仍然會持續性投入，進一步研究高溫高壓管道應力分析過程中的控制策略及方法，充分發揮管道應力分析在垃圾焚燒電廠的作用，在提高產品性能的基礎上，降低現場維修的概率，實現生活垃圾發電廠高效、安全、穩定運行。

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作者簡介：李復生（1985），男，山東省青島市人，本科，中級工程師。研究方向為生活垃圾焚燒發電、壓力管道、余熱鍋爐、污泥焚燒等環保工程的設計和調試。