空分裝置冷箱內(nèi)管道布置與應(yīng)力計(jì)算要點(diǎn)

1、<p>　　空分裝置冷箱內(nèi)管道布置與應(yīng)力計(jì)算要點(diǎn)</p><p>　　摘 要：隨著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，空氣分離行業(yè)呈現(xiàn)出了快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，裝置越來(lái)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(shè)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(yīng)力分析方向著手，對(duì)冷箱內(nèi)兩相流管道布置、大直徑薄壁管道應(yīng)力分析、合理利用API617標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力計(jì)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(jìn)行絕熱保冷。如果管道布置不合適或者應(yīng)力計(jì)算不通過(guò)很容易造成裝置開車不成功，嚴(yán)重的話還會(huì)導(dǎo)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(yùn)行時(shí)候無(wú)法巡檢，如果有問題也難以暴漏出來(lái)，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(lái)檢修費(fèi)用也比較大。這樣就顯得冷箱內(nèi)管道布置和應(yīng)力計(jì)算在設(shè)計(jì)初期尤其重要，合理的管道布置和合格的應(yīng)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(yīng)力計(jì)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(jìn)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(guò)調(diào)整閥門的安裝高度、液體的過(guò)冷度等來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要的時(shí)候還需要增設(shè)氣泵。由于裝置在運(yùn)行狀況下，上塔和下塔在低溫下要往下收縮。塔設(shè)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(shè)備的水平管道宜布置成傾斜向上的，使得設(shè)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(shè)備管口計(jì)算出來(lái)的塔設(shè)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(guò)大則會(huì)嚴(yán)重影響板式換熱器的換熱效率，影響整套裝置的工藝指標(biāo)。理想狀態(tài)下，最好將板式的進(jìn)出口管

6、道布置成完全對(duì)稱的，如果受冷箱空間的限制，可以選擇進(jìn)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(shè) </p><p>　　計(jì)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定離心式壓縮機(jī)進(jìn)口至少要有2DN的直管段，而空分裝置常用的透平膨脹機(jī)中CRYOSTAR廠家要求膨脹端出口、增壓端進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定安全閥進(jìn)口至少要有10DN的直管段。其他的諸如孔板流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥的直管段要求可以參看相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 </p><p>　　三

8、.冷箱內(nèi)管道應(yīng)力計(jì)算 </p><p>　　對(duì)于空分冷箱內(nèi)管道應(yīng)力計(jì)算可以使用 </p><p>　　ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)采用CAESARⅡ進(jìn)行應(yīng)力分析。 </p><p>　　CAESARⅡ是以結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)編制的，采用桿單元模型來(lái)進(jìn)行模擬分析，而桿狀元件的力學(xué)方程有如下假設(shè)：結(jié)構(gòu)中桿狀元件的變形都很小，各節(jié)點(diǎn)的位移不改變?cè)男螤?，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(yīng)力、應(yīng)變、位移可以疊加。[1]以下就冷箱內(nèi)管道的應(yīng)力計(jì)算提出一些意見和辦法。 </p><p>　　1大直徑薄壁管道的應(yīng)力計(jì)算 </p><p>　　由于CAESARⅡ默認(rèn)管道為桿單元，而對(duì)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(yīng)，尤其是對(duì)于三通和彎頭處的影響更為明顯，造成截面過(guò)大變形，這與CAESARⅡ基于結(jié)構(gòu)力學(xué)桿狀單元力學(xué)方程作出的

10、假設(shè)相沖突，由此CAESARⅡ計(jì)算出來(lái)的局部應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)和柔性系數(shù)和實(shí)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(yīng)力增大系數(shù)的計(jì)算方法，但是在附錄D 表300注（1）則說(shuō)明：表D300中的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)和柔性系數(shù)適用于缺少更直接的應(yīng)用數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)于D/，已證實(shí)是有效的。同時(shí)附錄D 表300注（7）則說(shuō)明：對(duì)于直徑大、管壁薄的彎頭和彎管，壓力會(huì)明顯的影響應(yīng)力

11、增強(qiáng)系數(shù)i柔性系數(shù)k。因此，將表中的值修正如下： </p><p>　　對(duì)于k除以 式（1） </p><p>　　對(duì)于i除以 式（2） </p><p>　　P―設(shè)計(jì)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(duì)于彎頭和斜接彎頭為管件的名義厚度，對(duì)于三通為主管名義厚度 </p><p>　　（1）如果大直徑薄壁直管的橢圓化效應(yīng)可以忽略，則可以通過(guò)FE/PIPE對(duì)大直徑薄壁彎頭彎管和三通進(jìn)行計(jì)算，也可以利用式（1）、式（2）對(duì)大直徑薄壁彎頭彎管進(jìn)行計(jì)算。將計(jì)算得到的應(yīng)力增大系數(shù)和柔性系數(shù)輸入至CAESARⅡ再進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)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(yīng)不可忽略，筆者認(rèn)為可以采用專業(yè)的有限元分析軟件（如ANSYS）進(jìn)行應(yīng)力分析評(píng)定。 </p><p>　　2如何合理利用API617標(biāo)準(zhǔn)校核透平膨脹機(jī) </p><p>　　由于膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速高，如果管道作用于膨脹機(jī)管口的載荷過(guò)大，將會(huì)造成機(jī)器轉(zhuǎn)子的不對(duì)中，引起機(jī)器磨損和振動(dòng)，所以對(duì)于空分用透平膨脹機(jī)必

14、須按照API617或者NEMA SM23等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校核管嘴荷載是否滿足設(shè)計(jì)要求。 </p><p>　　合理的管道設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)于空分裝置的透平膨脹機(jī)而言，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)機(jī)器轉(zhuǎn)軸的中心線方向上增壓端進(jìn)口

15、管徑和膨脹端出口管徑一致的情形，而API617并未對(duì)此種情況作出明確的說(shuō)明，也就是說(shuō)當(dāng)出現(xiàn)最大管口有多個(gè)的情形下，對(duì)于各管口的推力和推力矩具體向那個(gè)管口等效轉(zhuǎn)換API617并沒有作出明確的說(shuō)明。根據(jù)筆者的分析經(jīng)驗(yàn)，我們可以考慮采取對(duì)設(shè)計(jì)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(shí)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(yǔ) </b></p><p>　　冷箱內(nèi)管道設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格，考慮管道介質(zhì)的特性采取合適的布置方式，在給設(shè)備和機(jī)器配管的時(shí)候應(yīng)注意滿足相關(guān)規(guī)范的布置要求。對(duì)與敏感設(shè)備和敏感機(jī)械相連接的管道還必須按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行許用載荷的校核，合理利用API標(biāo)準(zhǔn)選擇對(duì)設(shè)計(jì)最有利的校核方法。對(duì)超出CAESARⅡ分析范圍的管道采取輔助分析的方式進(jìn)行。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

17、 </b></p><p>　　[1]岳進(jìn)才.壓力管道技術(shù).北京：中國(guó)石化出版社.2009：196. </p><p>　　[2]HG 20549.5-1998. 化工裝置管道布置設(shè)計(jì)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(jī). </p><p>　　[5]張行東.空分裝置兩相流計(jì)算方法介紹.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013：81-82. </p><p>　　[6]方立.用CAESARⅡ軟件進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算的幾個(gè)問題探討.化工設(shè)備與管道，2004：40-43. </p><p>　　作者簡(jiǎn)介： 李超（1985-），男，漢族，本科，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程