空分裝置冷箱內(nèi)管道布置與應力計算要點

1、<p>　　空分裝置冷箱內(nèi)管道布置與應力計算要點</p><p>　　摘 要：隨著國家的經(jīng)濟發(fā)展，空氣分離行業(yè)呈現(xiàn)出了快速發(fā)展的態(tài)勢，裝置越來越大型化，冷箱作為空分裝置的核心單元，確保冷箱內(nèi)的設備和管道能夠正常工作是整套空分能夠合格出氧的關(guān)鍵。本論文著重從冷箱內(nèi)管道布置和應力分析方向著手，對冷箱內(nèi)兩相流管道布置、大直徑薄壁管道應力分析、合理利用API617標準等提出一些建議和看法。 </p>

2、<p>　　關(guān)鍵詞：冷箱內(nèi)管道 布置 應力計算 API617 </p><p><b>　　一.引言 </b></p><p>　　冷箱內(nèi)管道絕大部分都是在-180℃左 </p><p>　　右溫度下工作的低溫管道，冷箱內(nèi)充填珠光砂進行絕熱保冷。如果管道布置不合適或者應力計算不通過很容易造成裝置開車不成功，嚴重的話還會導致管道撕裂

3、，引起冷箱砂爆從而造成難以估量的損失。正是由于冷箱內(nèi)管道在裝置正常運行時候無法巡檢，如果有問題也難以暴漏出來，而停車檢修則需要冷箱扒砂結(jié)束才能開始，一是影響企業(yè)生產(chǎn)，二來檢修費用也比較大。這樣就顯得冷箱內(nèi)管道布置和應力計算在設計初期尤其重要，合理的管道布置和合格的應力分析是保證空分裝置正常開車的重要條件。以下就冷箱內(nèi)管道布置和應力計算提出一些看法和建議。 </p><p>　　二.冷箱內(nèi)管道布置 </p&g

4、t;<p>　　1兩相流管道的特殊布置 </p><p>　　空分冷箱內(nèi)產(chǎn)生兩相流的管線主要包括：下塔液空去上塔、下塔液氮去上塔、高壓液空節(jié)流進下塔。兩相流管道的布置主要考慮管道內(nèi)介質(zhì)的含氣率要控制在一定范圍，含氣率的控制可以通過調(diào)整閥門的安裝高度、液體的過冷度等來進行調(diào)節(jié)，必要的時候還需要增設氣泵。由于裝置在運行狀況下，上塔和下塔在低溫下要往下收縮。塔設備是往下收縮的，而液空、液氮、高壓液空的調(diào)節(jié)

5、閥是固定于冷箱骨架的，這就需要調(diào)節(jié)閥后去塔設備的水平管道宜布置成傾斜向上的，使得設備側(cè)高于閥門側(cè)，高差不能小于基于液氮、液氧、液空的設備管口計算出來的塔設備收縮量。 </p><p>　　2避免板式換熱器出現(xiàn)偏流 </p><p>　　由于板式和管道流路的內(nèi)部阻力不同造成并聯(lián)板式的偏流問題，偏流量過大則會嚴重影響板式換熱器的換熱效率，影響整套裝置的工藝指標。理想狀態(tài)下，最好將板式的進出口管

6、道布置成完全對稱的，如果受冷箱空間的限制，可以選擇進出口管道成U型布置。 </p><p>　　3管道布置中的直管段要求 </p><p>　　HG20549.5-1998《化工裝置管道布置設 </p><p>　　計技術(shù)規(guī)定》規(guī)定離心式壓縮機進口至少要有2DN的直管段，而空分裝置常用的透平膨脹機中CRYOSTAR廠家要求膨脹端出口、增壓端進口至少有3DN的直管段，

7、ATLAS廠家則要求在膨脹端出口至少要有4DN的直管段、增壓端進口至少要有5DN的直管段，ACD廠家則要求膨脹端出口和增壓端進口至少要有5DN的直管段。由于空分裝置冷箱內(nèi)空間有限，在安全閥管道布置中需要注意安全閥的直管段要求，HG20549.5-1998《化工裝置管道布置設計技術(shù)規(guī)定》規(guī)定安全閥進口至少要有10DN的直管段。其他的諸如孔板流量計和調(diào)節(jié)閥的直管段要求可以參看相關(guān)標準的要求。 </p><p>　　三

8、.冷箱內(nèi)管道應力計算 </p><p>　　對于空分冷箱內(nèi)管道應力計算可以使用 </p><p>　　ASME B31.3標準采用CAESARⅡ進行應力分析。 </p><p>　　CAESARⅡ是以結(jié)構(gòu)力學為基礎編制的，采用桿單元模型來進行模擬分析，而桿狀元件的力學方程有如下假設：結(jié)構(gòu)中桿狀元件的變形都很小，各節(jié)點的位移不改變元件的形狀，力和位移成線性關(guān)系，并符合

9、胡克定律，各載荷在元件中引起的應力、應變、位移可以疊加。[1]以下就冷箱內(nèi)管道的應力計算提出一些意見和辦法。 </p><p>　　1大直徑薄壁管道的應力計算 </p><p>　　由于CAESARⅡ默認管道為桿單元，而對于大直徑薄壁管道由于剛性不足，在受力情況下容易產(chǎn)生橢圓化效應，尤其是對于三通和彎頭處的影響更為明顯，造成截面過大變形，這與CAESARⅡ基于結(jié)構(gòu)力學桿狀單元力學方程作出的

10、假設相沖突，由此CAESARⅡ計算出來的局部應力增強系數(shù)和柔性系數(shù)和實際相比有很大出入。 </p><p>　　在ASME B31.3附錄D 表300中給出了柔性系數(shù)和應力增大系數(shù)的計算方法，但是在附錄D 表300注（1）則說明：表D300中的應力增強系數(shù)和柔性系數(shù)適用于缺少更直接的應用數(shù)據(jù)的情況下，對于D/，已證實是有效的。同時附錄D 表300注（7）則說明：對于直徑大、管壁薄的彎頭和彎管，壓力會明顯的影響應力

11、增強系數(shù)i柔性系數(shù)k。因此，將表中的值修正如下： </p><p>　　對于k除以 式（1） </p><p>　　對于i除以 式（2） </p><p>　　P―設計壓力，單位為MPa </p><p>　　E―彈性模量，單位為MPa </p><p>　　r2―主管平均半徑 </p><p>

12、;　　R1―焊接彎頭或彎管彎曲半徑 </p><p>　　―對于彎頭和斜接彎頭為管件的名義厚度，對于三通為主管名義厚度 </p><p>　?。?）如果大直徑薄壁直管的橢圓化效應可以忽略，則可以通過FE/PIPE對大直徑薄壁彎頭彎管和三通進行計算，也可以利用式（1）、式（2）對大直徑薄壁彎頭彎管進行計算。將計算得到的應力增大系數(shù)和柔性系數(shù)輸入至CAESARⅡ再進行管道應力計算即可得到正確的

13、分析結(jié)果。 </p><p>　?。?）如果大直徑薄壁直管的橢圓化效應不可忽略，筆者認為可以采用專業(yè)的有限元分析軟件（如ANSYS）進行應力分析評定。 </p><p>　　2如何合理利用API617標準校核透平膨脹機 </p><p>　　由于膨脹機轉(zhuǎn)速高，如果管道作用于膨脹機管口的載荷過大，將會造成機器轉(zhuǎn)子的不對中，引起機器磨損和振動，所以對于空分用透平膨脹機必

14、須按照API617或者NEMA SM23等相關(guān)標準來校核管嘴荷載是否滿足設計要求。 </p><p>　　合理的管道設計是管道布置人員需要考慮的問題，合理利用限位支架、固定架、彈簧吊架的作用可以很好的改善管端受力情況。另一方面還要考慮機器的管口初始位移，如果制造商沒有提供，還需要要求制造商提供。 </p><p>　　對于空分裝置的透平膨脹機而言，有時會出現(xiàn)機器轉(zhuǎn)軸的中心線方向上增壓端進口

15、管徑和膨脹端出口管徑一致的情形，而API617并未對此種情況作出明確的說明，也就是說當出現(xiàn)最大管口有多個的情形下，對于各管口的推力和推力矩具體向那個管口等效轉(zhuǎn)換API617并沒有作出明確的說明。根據(jù)筆者的分析經(jīng)驗，我們可以考慮采取對設計更有利的校核方式，假如增壓端推力矩小，推力大而膨脹端推力矩大，推力小，此時最適宜的等效轉(zhuǎn)換就是把各管口的推力和推力矩向增壓端等效轉(zhuǎn)換。 </p><p><b>　　四.

16、結(jié)束語 </b></p><p>　　冷箱內(nèi)管道設計必須嚴格，考慮管道介質(zhì)的特性采取合適的布置方式，在給設備和機器配管的時候應注意滿足相關(guān)規(guī)范的布置要求。對與敏感設備和敏感機械相連接的管道還必須按照相關(guān)標準進行許用載荷的校核，合理利用API標準選擇對設計最有利的校核方法。對超出CAESARⅡ分析范圍的管道采取輔助分析的方式進行。 </p><p><b>　　參考文獻

17、 </b></p><p>　　[1]岳進才.壓力管道技術(shù).北京：中國石化出版社.2009：196. </p><p>　　[2]HG 20549.5-1998. 化工裝置管道布置設計技術(shù)規(guī)定. </p><p>　　[3]ASME B31.3. Process Piping. </p><p>　　[4]API 617. 石油及

18、化工和氣體工業(yè)用離心壓縮機. </p><p>　　[5]張行東.空分裝置兩相流計算方法介紹.中國高新技術(shù)企業(yè)，2013：81-82. </p><p>　　[6]方立.用CAESARⅡ軟件進行管道應力計算的幾個問題探討.化工設備與管道，2004：40-43. </p><p>　　作者簡介： 李超（1985-），男，漢族，本科，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學過程裝備與控制工程