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大型空 分机组蒸汽流量计加固夹具设计与应用


大型空分机组蒸汽流量计加固夹具设计与应用,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佳影响。

喷嘴蒸 汽流量计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。某公司大型空分装置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   
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。

    
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。


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。
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。


图2 夹具安装   

4 结语
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佳影响, 保证装置的平稳运行。

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