0 引言

噴嘴蒸汽流量計(jì)[1]在空分機(jī)組中應(yīng)用廣泛，主要用于測(cè)量汽輪機(jī)蒸汽流量，是反映壓縮機(jī)運(yùn)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(jī)組 S98 蒸汽壓力管道上設(shè)置了噴嘴式蒸汽流量計(jì)，由于制造廠家疏忽，流量計(jì)中部環(huán)焊縫存在焊材選用錯(cuò)誤的可能性，但是因溫度過(guò)高不具備在線焊縫處材料確認(rèn)和無(wú)損檢測(cè)條件。因此，需要一種高強(qiáng)度且耐高溫的夾具對(duì)流量計(jì)焊縫進(jìn)行臨時(shí)性在線加固，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)模式，避免流量計(jì)發(fā)生蒸汽泄漏造成事故。

 

1 流量計(jì)參數(shù)及潛在缺陷

存在可能性缺陷的流量計(jì)水平安裝在汽輪機(jī)入口前 S98 主蒸汽壓力管道上，日常運(yùn)行壓力 9 MPa，運(yùn)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(jì)壓力10.31 MPa/溫度 545 ℃，管道規(guī)格 Φ355.6×307.94 m，流量計(jì)本體 Φ430×307.94 mm。流量計(jì)主要由 2 個(gè)左右對(duì)稱(chēng)的導(dǎo)管焊接而成，如果選用不適應(yīng)該 運(yùn) 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(huì)存在開(kāi)裂泄漏的可能性。流量計(jì)結(jié)構(gòu)和缺陷位置如圖 1 所示。

2 夾具設(shè)計(jì)

2.1 緊固夾具計(jì)算

夾具的厚度和外徑需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)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(jì)不但要考慮強(qiáng)度，而且要考慮剛性。緊固夾具的計(jì)算厚度 S，按式（1）[2]計(jì)算。

式中 S———夾具計(jì)算厚度，mm

P———夾具設(shè)計(jì)壓力，MPa

D———管道外直徑，mm

[σ]t ———管道內(nèi)介質(zhì)工作溫度下夾具材料（304 不銹鋼）的許用應(yīng)力為 91 MPa

Φ———焊接接頭系數(shù)。無(wú)焊接，焊接系數(shù) Φ取 1。

P 修正為 P=PL+5 MPa，其中，PL 是管道運(yùn)行壓力。夾具厚度為 130 mm，滿足強(qiáng)度要求，夾具在管道系統(tǒng)壓力下不會(huì)破壞和變形，因設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(jì)壓力，MPa

D———管道外直徑，mm

a———夾具耳板的寬度，mm

[σ]t ———管道內(nèi)介質(zhì)工作溫度下夾具材料（304 不銹鋼）的許用應(yīng)力為 91 MPa耳板厚度為 120 mm，滿足強(qiáng)度要求，夾具在管道系統(tǒng)壓力下不會(huì)破壞和變形，因設(shè)計(jì)時(shí)選用更高壓力。

 

（3）緊固夾具連接螺栓計(jì)算。該螺栓用于緊固 2 個(gè)對(duì)半的夾具構(gòu)件，每個(gè)夾具用 2 個(gè)螺栓連接，緊固夾具連接螺栓的小徑d1，按式（3）[2]計(jì)算。

式中 d1———計(jì)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(jì)壓力，MPa

D———管道外直徑，mm

n———連接螺栓數(shù)量

[σ]t———介質(zhì)工作溫度下夾具材料（GH4145）的許用應(yīng)力，MPa

 

連接螺栓為 30 mm，滿足強(qiáng)度要求，夾具在管道系統(tǒng)壓力下不會(huì)破壞和變形，因設(shè)計(jì)時(shí)選用更高壓力。

（4）緊固夾具軸向連接螺栓強(qiáng)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(qiáng)度的螺栓加工，近似牌號(hào)為 Inconel X-750。在 545 ℃時(shí)，材料的屈服強(qiáng)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(shí)螺紋小徑為 27 mm，現(xiàn)計(jì)算單跟螺栓在545 ℃時(shí)的屈服強(qiáng)度為 229 kN。沿管道軸向方向設(shè)計(jì) 16 個(gè)連接螺栓，可承受總拉力 F1 為 3664 kN；管道內(nèi)介謘hou饔迷詮艿郎系睦�力紦�?F2=PL×S=64.2 kN；可知 F1＞F2，強(qiáng)度校核合格。

 

2.2 夾具外形設(shè)計(jì)

加固夾具采用兩半對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，組裝后的內(nèi)圓內(nèi)徑可以通過(guò)對(duì)比噴嘴蒸汽流量計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。

 

3 安裝施工

（1）施工前對(duì)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(shí)拆除流量計(jì)處保溫并對(duì)管道表面清理。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊縫部位，進(jìn)行測(cè)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(shí)需穿戴安全帶；管內(nèi)介質(zhì)溫度壓力較高，施工時(shí)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(kāi)（螺栓擰緊時(shí)應(yīng)對(duì)稱(chēng)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 Φ30 mm，長(zhǎng) 3200 mm 的螺絲杠與緊固夾具的拉環(huán)連接，避免夾具對(duì)管道造成損害。

（9）清理打掃現(xiàn)場(chǎng)，施工人員離開(kāi)。夾具安裝示意見(jiàn)圖 2。

 

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪和強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種高強(qiáng)度且耐高溫的夾具，可以對(duì)可能存在缺陷的流量計(jì)進(jìn)行了臨時(shí)性在線加固。同時(shí)采取實(shí)時(shí)監(jiān)控，并調(diào)整生產(chǎn)模式以便于夾具的安裝施工。通過(guò)夾具的設(shè)計(jì)與成功應(yīng)用，有效避免潛在缺陷造成的管道開(kāi)裂造成的不良影響，保證裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。