基于API617的典型增压透平膨胀机管口荷载校核方法的比较分析

　　引 言

　　空分设备中,增压透平膨胀机是必不可少的重要转动机器,当连接机器两侧的管道在运行工况下工作时,因热胀冷缩将对所连接的进、出口产生作用力。管道作用荷载过大时,将造成膨胀机转子和壳体的间隙改变,引起磨损和振动,进而影响机器正常运行,因此对管道作用于机器两侧进、出口的荷载必须进行严格的限制[1]。

　　由于机器转速很高,以60000 m3/h空分设备为例,膨胀机设计转速达到20500 r/min。在这样高速运转的情况下,对机器进、出口的允许荷载限制非常严格。通常的校核原则有以下几种[1]:

　　(1)根据机器生产厂家提供的允许受力校核安装工况和运行工况的管道外加荷载进行校核;

　　(2)根据美国电气制造商协会标准NEMASM23的校核准则对安装工况和运行工况下的管道外加荷载进行校核;

　　(3)根据美国石油协会标准API 617的校核准则对安装工况和运行工况下的管道外加荷载进行校核。

　　1 API 617管道荷载校核准则概述

　　API 617第4章对管道外加荷载的校核准则是基于NEMASM 23的校核准则发展来的,同时考虑1185倍的放大系数。

　　对于单级增压透平膨胀机,进、出口外加管道荷载应遵循以下3个基本校核准则[2]。

　　1.1 进、出口荷载单独校核

　　式中:Fr为增压透平膨胀机单个接口的合成力, N;Mr为增压透平膨胀机单个接口的合成力矩, N#m;De为增压透平膨胀机单个接口的管口直径, mm。

　　对于DN>200 mm的管口口径需进行如下修正:

　　1.2 进、出口荷载组合后校核

　　式中:Fc为增压透平膨胀机进、出口在指定点的组合力, N;Mc为增压透平膨胀机进、出口在指定点的组合力矩, N#m;Dc为增压透平膨胀机进、出口管口总面积等效直径, mm。

　　对于Dc>230 mm的等效直径需进行如下修正:

　　1.3 进、出口组合荷载各分量单独校核

　　式中:Fx为公式(2)中Fc的x向组合分量;Fy为公式(2)中Fc的y向组合分量;Fz为公式(2)中Fc的z向组合分量;Mx为公式(2)中Mc的x向组合分量;My为公式(2)中Mc的y向组合分量;Mz为公式(2)中Mc的z向组合分量。

　　关于以上力的坐标定义如图1所示.

　　2 有限元模型建立

　　依据API 617描述,校核共分3部分:

　　(1)单个进、出口荷载合成后单独校核(简称准则1);

　　(2)进、出口荷载依据一定的参考位置组合后整体校核(简称准则2);

　　(3)进、出口荷载组合后各向分量单独校核(简称准则3)。

　　如何正确理解规范中的条文说明并正确运用到工程实践中是非常重要的。错误的理解不是导致错误的分析就是导致过于保守的设计计算,从而使被分析系统处于不安全状态或者浪费大量的时间。笔者在从事该部分工作中发现,不管是管道应力分析专业软件、专业工程师还是设备供应商,对准则2和准则3校核的理解不尽相同。