Y形锻制三通的开发和应用.doc

全国化工热工设计技术中心站年会论文集 145
Y形锻制三通的开发和应用
陈金福
（中国五环化学工程公司）
【内容摘要】 在某厂动力站实际工程设计中，由于工艺用汽的需要，机组参数较特殊，汽机自动主汽门采用二进四出的结构，且进汽管间距较小。通过技术经济比较及与管件制造厂家技术交流后确定采用单管进汽，在管道上布置Y形三通。该三通经方案设计、强度计算、有限元分析，确定最佳的结构；在制造过程中，经方坯的锻制、模具的制作、机加工、焊接等工序，克服一个个难题，终于将Y形锻制三通开发成功，获得了用户好评，并填补了国内空白。本文对三通的选用原则也做了简要说明。

一、 开发背景
（一）、概述
中石化某厂是我国在七十年代初期由国外引进的大化肥之一，年产合成氨30万吨，尿素48万吨。原设计以天然气为原料，后因天然气无来源改以石脑油为原料，并增加二台100t/h中压燃油快锅。由于油品价格不断上涨，根据工厂现状，该厂九八年开始实施“煤代油”工程，并确定动力站先行启动，动力站的设计由我公司承担。动力站规模为2x240t/h高压燃煤锅炉+1x25MW汽轮发电机组，汽机型号为CC25-9.8/4.1/0.8。
由于工艺用汽的需要，机组参数较特殊，主蒸汽进汽量高达330t/h，制造厂为方便设计，汽机自动主汽门套用某厂100MW机组的设计，采用二进四出的结构，阀门前端布置2根Φ273x22进汽管，管中心间距760mm，阀门下端布置4根Φ168x14出汽管。
（二）、管道布置方案
按系统布置原则主蒸汽系统采用集中母管制，两台高压锅炉产生的高压蒸汽送入主蒸汽母管，部分蒸汽减温后直接送工业（合成压缩机）透平，其余蒸汽进汽轮发电机组。按机组进汽能力需布置两根Φ273x22或一根Φ377x32进汽管。管道材质为12Cr1MoV，两个方案优缺点如下：
1、 单管进汽
由主蒸汽母管上接一根Φ377x32管道进电动主汽门，在电动主汽门后设分流三通，接入自动主汽门的两根进汽管。其特点：
l 管系单一，汽机与电动主汽门的控制联锁简单。
l 汽机进汽均匀，有利于机组的安全运行。
l 需要增加特制三通，三通制造难度较大。
l 材料消耗：
特制三通 P10.3 DN300x225 一只
电动闸阀 P14V DN300 二只
无缝钢管 Φ377x32 41m
热压异径三通 P13.73 DN350x300x350 一只
90°热压弯头 P13.73 DN300 六只
流量测量 P10.3 DN300 一套
旁路阀 二套
疏水装置 三套
2、 双管进汽
从主蒸汽母管上接出二根Φ273x22管道进入相应的电动主汽门，通过电动主汽门，直接接入自动主汽门的两根进汽管。其特点：
l 管系复杂，汽机与电动主汽门的控制联锁有二套。
l 二根管道长度不一，管道阻力不同，进汽不均匀，不利于机组的安全运行。
l 所需管件均为定型件，制造采购容易。
l 自动主汽门进汽管间距较小，难以并排布置两个电动主汽门，需额外增加管件数量。
l 二根进汽管长度不等，按应力计算结果，自动主汽门所受外力不平衡。
l 因管件数量增加，安装焊接工作量增大。
l 材料消耗：
电动闸阀 P14V DN225 四只
无缝钢管 Φ273x22 85m
热压异径三通 P13.73 DN350x225x350 二只
90°热压弯头 P13.73 DN225 十二只
45°热压弯头 P13.73 DN225 四只
流量测量 P10.3 DN225 二套
旁路阀 四套
疏水装置 六套
3、 经过询价比较，单管进汽比双管进汽具有一定的价格优势，而且系统简单，汽机进汽均匀，管系受力合理，只要采用结构合理、可靠的特制三通，系统的安全性就能得到保证。

二、 三通的结构及形式
三通是管道工程中常用的管件之一，其结构形式有多种，按制造工艺可分为（冷、热）挤压三通、锻制三通和焊制三通，焊制三通又可分为厚壁加强焊制三通、单筋加强焊制三通和碟式加强焊制三通三种。按三通的外部形状可分为斜三通、正交三通和Y形三通。如下图：
国内标准成型三通，不论是行业标准（如电力部GD87、化工部标准），还是国家标准(GB12459-90)，均为正交三通。对本工程而言，按配管要求，应采用Y形分流三通。
对三通的选用原则，按电力行业的规范，在可能的条件下，优先采用冷、热挤压成型的三通或锻制三通，其次采用厚壁加强焊制三通。对单筋加强焊制三通，必须严格控制加强筋与三通主体的焊接和检验条件，不宜采用碟式加强焊制三通。
锻制三通材质好、强度高，先进的锻制方式是多向模锻，但设备与工艺复杂，大三通制造较少采用。目前国外大机组的主汽管上的三通普遍采用整锻三通，国内仅某些重型机器厂已具备这种生产能力，常规的加工方法一般是先由锻造厂锻出方坯，再切削加工成三通。由于主蒸汽压力及温度都极高，三通制造质量对机组的安全运行关系重大，因此不仅对三通锻件和机加工提出质量要求，而且对三通锻件的冶炼方法提出具体要求，其锻件应采用电炉冶炼的镇静钢、钢包精炼真空脱气。
经与国内多家管件制造厂家联系，均无制造Y形三通的业绩，但从现有的技术力量和制造水平而言，有多家表示有实力制造。在八十年代初期国外引进的火力发电机组中，曾出现过Y形锻制三通，参考国外Y形三通的设计经验和国内的实际情况，最终决定采用锻制三通加带直段45°热压弯头的组合结构，制造厂家经多方选择比较确定为江阴东联高压管件有限公司。按制造厂承喏，三通材料为12Cr1MoV，锻件按JB4726-94《压力容器用钢锻件》最高级Ⅳ级制造，并参照电力行业标准DL473-92《大直径三通锻件技术条件》执行。

三、 制造尺寸及公差要求
按动力站设备布置，自动主汽门与电动主汽门之间的间距为4190mm，扣除阀门本体的结构尺寸，三通的控制尺寸为：长度1150mm， 两排汽管中心距760mm，锻造三通的制造公差按ASME B16.9的规定执行，非控制尺寸的公差按GB1804-79JS15取值。三通内壁主管与支管相交处用圆锥面过渡。
锻造三通的外型尺寸见上图，图中的公差尺寸未注。

四、 有限元分析
按上图外形图，若采用整锻结构，则造价太高，而且机械加工存在很大的难度，故采用分体结构，件号1为锻造三通，件号2为带直段45°弯头。
在《火力发电厂汽水管道设计技术规定》(DL/T5054-1996)中，锻制三通的强度计算方法应采用面积补偿法，但为了验证三通的强度和结构的合理性，特进行了有限元分析，以求得三通在内压作用下的应力分布。有限元计算与分析由电力工业部热工研究院徐鹤廷教授完成。
计算所用机器为IBM PC/XT 286 加DSI785加速板，分析软件ADINA程序在此加速板上运行的速度相当于VAX-11 780，计算耗用机时8小时。
计算时，将主管与支管分别加长，以减少管端对三通本体应力分布的影响，对其物理模型做如下简化和假定：
l 三通主管端为轴向固定约束
l 三通只受内压作用，不计外载
l 三通支管端面受力大小等于内压对堵板的作用力
l 不计三通自重
在t=540℃时，材料12Cr1MoV的许用应力为72MPa，考虑到计算时物理模型的简化，取材料许用应力[σ]=48.7MPa。主蒸汽工作压力10.3MPa。
根据ADINA程序输出的积分点数据，再经过应力修补程序将各个节点的主应力计算出来，可绘制成主应力等值线图和对称面变形图，下图给出主应力等值线图：
一般来说，三通的高应力区在外腹部、内肩部及主支管相贯线处，但由于该三通壁厚较大，高应力处出现在三通内壁两支管及主管相贯线处，而三通本体外壁最大主应力仅为30.1MPa。
三通的最大应力点位欲三通内壁两支管与主管相贯线上。在此点周围应力梯度很大，最大应力点数值为86MPa。若以材料许用应力[σ]=48.7MPa计，则应力集中系数为1.76。在应力集中区应力衰减很快，在接近外壁处最大主应力小于10MPa。
按国家有关标准进行判定，该三通的强度判定结果如下：
（下转第122页）
（上接第144页）
1. 低应力区域中内外壁最大点的平均当量应力值为(25+30.1+10.3)/2=32.7MPa，验证应力Pys1=[σ]x10.3/32.7=15.4MPa
2. 低应力区最大点的当量应力值为25+10.3=35.3MPa，故验证应力Pys2=1.5[σ]x10.3/35.3=21.3MPa
3. 高应力区域中内外壁最大点的平均当量应力值为(86+18+10.3)/2=57.15MPa，验证应力Pys3=1.5[σ]x10.3/57.15=13.2MPa
4. 高应力区域最大点的当量应力值为86+10.3=96.3MPa，故验证应力Pys2=1.5[σ]x10.3/96.3=15.6MPa
5. 结论：最小验证应力Pymin=13.2MPa，如取计算相对误差为0.1，则该三通的最高允许工作压力[P]=13.2/1.1=12MPa >10.3MPa，强度合格。最大变形为2x10-4mm。

五、 实际使用效果
Y形锻制三通外形美观、结构合理，管系受力均匀，自2000年10月投用以来，运行正常，管道无振动，赢得了用户的好评，同时填补了国内的一项空白。附用户报告。

六、 应用前景
在工程设计中，因工艺流程或设备接口的要求，常会遇到管道介质的分流和合流。对低压或常压管道，往往是根据布置的具体情况，设计制作所需形状的三通。但在高压管道设计时，考虑到管道应力集中及制造经验等因素，习惯上按某一标准选用成型标准，而目前现有国内标准中，均为正三通。对某些特殊场合，采用标准三通将会产生管系布置复杂，气流分布不均匀，管道阻力增加等不利影响，最终使投资增加，可操作性差，运行费用提高，严重者将导致设备不能运行。Y形三通的开发成功，使用户增加了优化设计的选择机会，填补了国内空白。
Y形锻制三通，不仅可用于电站行业，也可用于其他行业的高温高压管道系统，如石油、化工等行业特殊场合的分、汇流管道系统。它具有如下优点：
1. 简化管道系统，方便操作。
2. 节省投资
3. 降低管道阻力，优化管道布置，有利于运行费用的减少。
4. 均衡气流分布，降低管系振动，确保设备和管道的安全运行。

[参考资料]
1. 《电站钢制对焊管件》 DL/T 695-1999
2. 《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T5054-1996
3. 《大直径三通锻件技术条件》 DL473-92
4. 《50MW主汽Y形锻造三通有限元分析报告》 电力部热工研究院 徐鹤廷

附：用户报告（略）