(东南大学建筑设计研究院有限公司 江苏南京 210096)
摘要：某电厂汽轮机背压排管道投产后，背压排汽管道气动逆止阀前后法兰在启动时发生泄露，虽然采取更换法兰垫片，泄露现像仍然存在。对此，本文采用GLIF软件建立了供汽管道的应力计算模型，并根据peg当量压力法与最大屈服强度法进行了法兰泄露校核，结果表明：管道最大一次、二次应力均在允许范围，而两种法兰校核方法得出的结果不同，通过对校核结果不同的原因进行分析对比和结合现场实际情况，对排汽逆止阀前后法兰进行了更换，提高了法兰的压力等级。该方案实施后，法兰未再发生泄漏现像。
关键词：排汽管道；法兰泄露；peg当量压力；NC-3658.3公式
1.背压排汽管道概况
某电厂热电联产项目汽轮机型号为CB50-8.83/4.2/1.27，为抽汽背压式汽轮机，管道设计压力1.35Mpa，设计温度342.4℃，排汽管道从背压机的两个排汽口接出，排汽接管管径为2-OD630×11，材质为钢20，排汽管道从排汽口接出后落到地面0.9m标高，然后向汽机小岛机头方向布置，每根管道各布置一个气动逆止阀，两根管道从小岛机头端两柱子内侧绕向外侧，升高到4.00米标高后回到汽机小岛中间两根柱子处合并成一根管道，与主厂房外供热蒸汽母管相连，布置图见图1。在汽轮机启动过程中了发现气动逆止阀前后法兰产生不同程度的漏汽现像，现场对法兰垫片进行更换，发现垫片有破损现像，更换法兰垫片后启动仍存在漏汽现像。而法兰漏汽不仅对电厂造成经济损失，而且也带来重大安全隐患。
图1：背压排汽管道布置图
2． 排汽管道应力计算及分析
法兰处应力和力矩过大会造成阀兰密封面处的泄露。我院应力计算程序为GLIF管道应力分析软件，国内大型电力设计院也都采用该软件。从应力软件分析结果来看，管道的应力、排汽口推力都满足要求。由于该软件没有判断法兰处是否泄漏的功能，所以只有通过其它办法来判断。目前判断法兰泄漏的方法有很多种，我们将采用CARESARII软件提供两种计算分析法对法兰泄漏进行分析。
2.1 peg当量压力法
当量压力法也称等效压力法，此法来源于国外Kellogg工程公司，此公式简单明了，已被大量的工程应用证明具有足够的安全性，也为我国GB/T 20801所采用 。对于承受内压和外部载荷的法兰，其目的是把轴向应力（此处只考虑拉力，压力不考虑）控制在一个非常安全的范围内，所有外部载荷被认为作用在垫片上。其计算公式如下：
Peg=16M/ΠG3＋4F/ΠG2＋PD
其中：
Peq= 当量压力 (用于校核法兰泄漏)
M =作用在法兰上的弯矩，N.m;
G =法兰垫片上的有效直径,m;
F = 作用在法兰上的轴向力 (取绝对值),N
PD=设计压力,Pa
Peq -由内压、轴向力、弯矩共同作用下法兰当量压力，Pa
Peg方法法兰校核结果见表1：
表1 Peg 法兰校核结果
从表一的结果可以看出，气动逆止阀前后法兰结果都超出了许用应力30~40%, 导致当量压力超过许用应力的原因主要是气动逆止阀法兰压力等级选用不合理造成，因为根据当量压力法计算公式可知，法兰当量压力是内压、轴向力、弯矩共同作用下产生的，法兰的内压为管道设计压力1.35MPa，逆止阀前后反法兰由汽机厂提供，压力等级为PN2.5Mpa，通过《GBT 9124-2010钢制管法兰技条件（表7： PN25法兰的压力-温度额定值）》折算出设计温度342.4℃下法兰的最大允许工作压力为1.285Mpa，在不考虑轴向力和弯矩的情况下，当量压力已经超出了法兰的许用应力。
2.2 最大屈服强度法
采用NC-3658.3方法进行校核，该公式出自ASME BPVC III，Division 1 NC分卷第3658.3节 ，在设计或使用工况下，由于作用于管道的重量、管系的热膨胀、支架荷载和其它持续荷载引起的作用于法兰上的弯矩和扭矩不得大于规定值。公式如下：
Mb=21437.5(Sy/246960)*C*Ab Sy/246960≤1
其中：Mb - 最大许用力矩，kN•m；
Sy -相应温度下材料的屈服强度，kPa；
C -螺栓圆直径，m；
Ab -总螺栓孔开洞面积，m2
此方法在计算时认为管道介质内压以及由管道变形所产生的力矩都施加在螺栓之上，如果螺栓发生破坏，则产生法兰泄漏。并且假定应力都均匀分布在螺栓孔所处圆的圆周上，此圆环宽度由螺栓总开洞面积除以螺栓圆直径得到，再经推导得到上述公式，因过程复杂，本文不再赘述。
NC-3658.3方法法兰校核结果见表2：
表2：NC-3658.3法兰校核结果
从表2的结果可以看出，气动逆止阀前后法兰应力值要远远小于许用应力值。
3.两种方法的比较及探讨
对比两种方法，由于模型相同，相应节点的力及力矩都相同，但由于两种方法假定的法兰受力模型不同，对所施加力及力矩的取舍不同，造成分析结果差距过大。对于Peq法，其认为外部载荷完全作用于垫片之上，公式中螺栓受力没有考虑，这一点是过于保守的，实际上外部载荷并不只作用于垫片，外加力矩施加在法兰上，首先由螺栓承受，垫片承受荷载应减去螺栓载荷。
4.法兰泄漏处理及效果
根据以上的计算分析，逆止阀法兰处产生泄露的主要原因是在气动逆止阀前后产生的当量压力超过了法兰的许用应力。管道的蒸汽参数是无法改变了，只能通过减小法兰处的轴向力和弯矩方法来减少当量压力，而减少法兰处轴向力和弯矩需要改变管道的走向布置和支吊架设置，由于本工程排汽管道比较粗，改动后还需要保证排汽口推力不超过允许推力，气动逆止阀检修方便，改动起来比较困难。最简单的方法就是提高法兰的压力等级，从而提高法兰处的许用应力。通过与汽机厂协商后，汽机厂同意更换气动逆止阀法兰，提高法兰的压力等级。法兰更换投运后，法兰处未再发生泄露事故。
5 结束语
近几年，我国电厂蒸汽管道泄露事故频发，有几起事故还造成了人员伤亡和财产损失，应引起管道设计人员的充分重视。在电厂蒸汽管道设计中，不仅考虑一、二次应力、设备接口推力是否满足要求，对管道中法兰连接的阀门和设备接口也要进行法兰泄漏校核分析，特别是一些温度高、压力高、管径大的管道，可通过优化管道布置、支吊架的位置减小法兰处受力，提高法兰的压力等级等方法来满足Peg当量压力法和最大屈服强度法不发生法兰泄露的要求，避免工程中发生类似的问题。
参考文献:
[1] 唐永进．压力管道应力分析[M].２版．北京：中国石化出版社，2009：77-78
[2] 焦磊. 压力管道法兰密封与泄漏的浅析[J].石油化工技术与经济，2013，8(8)：26-30.
[3] 张旭. 压力管道设计中法兰校核方法探讨[J].石油和化工设备，2013，13(8)：5-9.
[4] GB／T20801.3-2006，压力管道规范工业管道第三部分 设计和计算[S].
[5] ASME-BPVC-Ⅲ-1NC-2015 [S].
[6] 电厂动力管道设计规范：GB50764—2012[S]．2012：
论文作者:张庆平
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/14
标签：法兰论文; 管道论文; 应力论文; 压力论文; 当量论文; 螺栓论文; 弯矩论文; 《电力设备》2017年第36期论文;