一种具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置及其设计方法与流程

本发明涉及舰船蒸汽动力系统设计技术领域，具体涉及一种具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置及其设计方法。

背景技术：

船用蒸汽蓄能器是在极短时间内为瞬时耗汽量极大的蒸汽用户提供规定压力和温度蒸汽的储能设备，用于对船舶大型汽力装置用户输送推动力。蒸汽蓄能器充放汽过程均伴随着热力负荷冲击型大扰动，具有充放汽时间极短、瞬时蒸汽流量极大、热力参数波动极大的特点。在充、放汽过程中，充放汽管路承受蒸汽蓄能器瞬时大负荷热冲击扰动的边界激励，导致蒸汽管路内蒸汽的压力场和速度场产生剧烈高频脉动，极易引起流致振动而诱发管路上安装的阀门、三通管、直角弯头等关键附件的损坏。同时，在狭窄的安装空间内，蒸汽管路上需要设置多组“π”形状的弯管，尽管可以吸收高温蒸汽管路热膨胀产生的热应力，但却增加了蒸汽高速热冲击管壁的着力点，扩大了大负荷热冲击的次生影响。在某陆上联调试验的过程中，发生过大负荷热冲击导致蒸汽充放汽管路“甩管”现象。

因此，为切实保障大负荷扰动充放汽管路的运行安全，亟需提出一种具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置，能够有效防止大负荷热冲击，并吸收高温蒸汽管路热应力，同时适应性提高蒸汽系统管路及附件的集成性、可靠性及维修性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置及其设计方法，它可以有效防止大负荷充放汽管路热冲击，并吸收高温蒸汽管路的热应力，同时提高蒸汽系统管路及附件的集成度和可靠度。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置，包括全环形补偿管、变径管和法兰，所述全环形补偿管为螺旋形，所述全环形补偿管的直径大于相应蒸汽管路的直径，所述全环形补偿管的进口和出口两端与所述蒸汽管路之间分别通过所述变径管过渡连接，所述变径管的端部分别设置所述法兰，所述热补偿装置通过所述法兰与蒸汽管路连接。

上述方案中，所述全环形补偿管、变径管和法兰焊接集成为一体。

上述方案中，所述全环形补偿管从左至右的气流方向为逆时针，从右至左的气流方向为顺时针。

上述方案中，所述全环形补偿管的最大外形尺寸为2.4m×1.2m×1.4m。

上述方案中，所述热补偿装置的材质均选用12cr1mov。

本发明还提出了上述具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置的设计方法，包括以下步骤：

第一步，根据压力管道应力分析及振动原理，拟合出全环形补偿管的估算公式(1)，计算所述全环形补偿管的缓冲容积：

v＝(200k·γ·vk)/pmax(1)

式中，v表示缓冲容积，m³；k表示等熵压缩指数；γ表示工程修正系数；vk表示蒸汽体积，m³；pmax表示运行最高压力，mpa；

第二步，通过拟合工程经验公式(2)估算所述全环形补偿管的弯管半径：

式中，r弯表示全环形补偿管的弯管半径，m；v表示缓冲容积，m³；d环表示全环形补偿管的直径，m。

本发明的有益效果在于：

本发明的热补偿装置包括螺旋状的全环形补偿管，利用全环形管的自然补偿结构可以充分吸收蒸汽管路受热膨胀而产生的热应力，还能够减少热冲击的着力点，并将在全环形管内产生的径向热冲击力相互抵消。同时，增大全环形补偿管的规格尺寸，全环形补偿管进行扩容，进而增加蒸汽管路热冲击的缓冲惯性，进一步提高了抗热冲击能力。另外，将全环形补偿管的进、出口两端分别通过变径管和法兰焊接，集成于一套整体装置，提高该装置的集成性和布置灵活性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置的主视图；

图2是图1所示热补偿装置的左视图。

图中：100、热补偿装置；10、全环形补偿管；11、进口；12、出口；20、变径管；30、法兰；200、蒸汽管路。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-2所示，为本发明一较佳实施例的具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置100，包括全环形补偿管10、变径管20和法兰30，全环形补偿管10按合理的弯管半径设计成螺旋形，利用全环形管的自然补偿结构可以充分吸收蒸汽管路200受热膨胀而产生的热应力，还能够减少热冲击的着力点，并将在全环形管内产生的径向热冲击力相互抵消。全环形补偿管10的直径大于相应蒸汽管路200的直径，全环形补偿管10的进口11和出口12两端与蒸汽管路200之间分别通过变径管20过渡连接，通过增大全环形补偿管10的规格尺寸，对全环形补偿管10进行扩容，进而增加蒸汽管路200热冲击的缓冲惯性，进一步提高了抗热冲击能力。变径管20的端部分别焊接有法兰30，全环形补偿管10、变径管20和法兰30集成于一套整体装置，提高热补偿装置100的集成性和布置灵活性。热补偿装置100通过法兰30与蒸汽管路200连接。

本发明的热补偿装置100主要用于大扰动蒸汽蓄能器的充放汽系统管路。在蒸汽蓄能器充放汽过程中，该热补偿装置100能够缓解大流量高温高压蒸汽对管路产生的瞬时大负荷热冲击，并基于自然补偿吸收蒸汽管路热应力，保障蒸汽蓄能器运行的安全可靠性。

进一步优化，本实施例中，全环形补偿管10从左至右的气流方向为逆时针，从右至左的气流方向为顺时针，可以节约舱室布置空间。本实施例中，左端为进口11，右端为出口12，进口11至出口12的气流方向为逆时针。在其它实施例中，若进口在右端、出口在左端，则气流方向为顺时针。

进一步优化，本实施例中，全环形补偿管10的最大外形尺寸为2.4m×1.2m×1.4m。

进一步优化，本实施例中，热补偿装置100的材质均选用12cr1mov。

本发明还提出了上述具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置100的设计方法，包括以下步骤：

第一步，根据压力管道应力分析及振动原理，拟合出全环形补偿管10的估算公式(1)，计算全环形补偿管10的缓冲容积：

v＝(200k·γ·vk)/pmax(1)

式中，v表示缓冲容积，m³；k表示等熵压缩指数；γ表示工程修正系数；vk表示蒸汽体积，m³；pmax表示运行最高压力，mpa。

第二步，通过拟合工程经验公式(2)估算全环形补偿管10的弯管半径：

式中，r弯表示全环形补偿管10的弯管半径，m；v表示缓冲容积，m³；d环表示全环形补偿管10的直径，m。

关于变径管202和法兰303的选型设计，采用《ds102-std-001船用管件标准手册》进行，在此不再赘述。

为了说明本发明具有抗热冲击作用的蒸汽管路热补偿装置100的有效性，现选取典型、精简的蒸汽蓄能器的充汽管路为实例(如图1-2所示)，进行具体计算和分析：

1)计算全环形补偿管10的缓冲容积：

根据蒸汽蓄能器的充汽管路的运行及结构参数可知，蒸汽温度t＝350℃，蒸汽压力pmax＝5.7mpa，充汽质量m＝10kg，全环形补偿管10直径d环＝0.4m。

根据蒸汽的运行温度和压力，查取iapws-if87水和水蒸汽性质表，可知蒸汽密度ρ＝22.3kg/m³，蒸汽体积vk＝m/ρ＝10/22.3＝0.45m³。

利用查取iapws-if87水和水蒸汽性质表，确定等熵压缩指数k＝1.284，并将工程修正系数γ取值为0.01。

根据公式(1)，缓冲容积：

v＝(200k·γ·vk)/pmax＝(200×1.284×0.01×0.45)/5.7＝0.21m³

2)计算全环形补偿管10的直径：

根据公式(2)，全环形补偿管10的直径：

d弯＝2r弯＝2×2×0.21/3.14²/0.4²＝0.5m

3)计算应力和频率，并与标准比较：

利用ceasar软件计算补偿装置的热应力，计算结果表明：最大一次应力为28mpa，小于98mpa的许用应力，满足一次应力要求；最大二次应力为65mpa，小于267mpa的许用应力，满足二次应力要求；一阶固有振动频率为1.12hz，远低于31.3hz，满足蒸汽管路模态振动要求。

综上所述，本发明的热补偿装置100利用全环形的自然补偿管结构(即全环形补偿管10)充分吸收蒸汽管路200受热膨胀而产生的热应力，同时减少热冲击的着力点，相互抵消全环形补偿管10产生的径向热冲击力。另外，结合热补偿装置100的扩容设计，增加蒸汽管路200热冲击的缓冲惯性，提高了蒸汽管路200的抗热冲击能力。同时，将全环形补偿管10、变径管20及连接法兰30一体化设计，提高了蒸汽管路200设计的集成性和布置的灵活性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。