楊 遠(yuǎn)

華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710075

近年來(lái)，隨著煤化工裝置規(guī)模不斷擴(kuò)大，煤氣化對(duì)氧氣的需求量越來(lái)越大，不論何種氣化技術(shù)，為了達(dá)到一定的煤轉(zhuǎn)化率，都需要大量的氧氣，這就客觀上要求配置更多的空分裝置。分子篩純化系統(tǒng)是空分裝置重要組成部分之一，其管道溫度高、管徑大、操作工況復(fù)雜，是空分裝置管道應(yīng)力分析的關(guān)鍵部分。分析分子篩各種操作工況，合理設(shè)置其工況是進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算的前提。使用低摩擦管托、彈簧支吊架、膨脹節(jié)等方法，可以有效降低管口荷載、管道熱態(tài)應(yīng)力。本文以某4.5萬(wàn)m3/年空分裝置為例進(jìn)行分析說(shuō)明。(專利商對(duì)分子篩管道布置有嚴(yán)格要求，并提出了管道和設(shè)備連接處荷載要求。)

1 分子篩管道應(yīng)力分析評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[1]

分子篩進(jìn)出口管道的材質(zhì)為碳鋼。出入口管道公稱直徑為900～1200mm，其中1200mm對(duì)應(yīng)壁厚為14mm。管道采用線性有限元方法并按梁?jiǎn)卧M(jìn)行力學(xué)模擬，來(lái)分析計(jì)算管道在靜載荷下的應(yīng)力水平、熱位移大小、支吊架反力、設(shè)備管口載荷。其中設(shè)備管口載荷的校核按供貨商提供的荷載要求進(jìn)行校核。分子篩管道進(jìn)出口管道系統(tǒng)在內(nèi)壓、自重、熱脹、外部荷載(閥門(mén)、保溫材料等持久荷載)以及邊界位移約束條件下，在管道的橫截面上產(chǎn)生應(yīng)力?；谠O(shè)計(jì)規(guī)范，這些應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力校核。

一次應(yīng)力校核：管道由于持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和σL，不應(yīng)超過(guò)材料預(yù)計(jì)最高溫度下的許用應(yīng)力[σ]h，即：

σL?[σ]h

式中，F(xiàn)為壓力引起軸向力之外的附件軸向力，N；A為管道橫截面積，mm2；P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為管道外徑，mm；S為管道有效厚度，mm；M為截面上合成彎矩，N·mm；W為抗彎截面模量，mm3。

二次應(yīng)力校核：計(jì)算的最大位移應(yīng)力范圍σE不應(yīng)超過(guò)許用應(yīng)力范圍σA，即

σE?f[1.25([σ]c+[σ]h)-σL]

式中，f為應(yīng)力折減系數(shù)；[σ]c材料預(yù)計(jì)最低溫度下的許用應(yīng)力，MPa；ii為平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)；io為平面外應(yīng)力增大系數(shù)；Mi為平面內(nèi)熱膨脹彎曲力矩，N·mm；MO為平面外熱膨脹彎曲力矩，N·mm；Mn為管道橫截面扭矩，N·mm；W為抗彎截面模量，N·mm。

2 分子篩系統(tǒng)管道應(yīng)力分析條件定義

2.1 工況分析[2]

為了空分裝置的持續(xù)運(yùn)行，必須不間斷進(jìn)行空氣的凈化，而分子篩純化系統(tǒng)必須設(shè)置兩臺(tái)分子篩純化器，一臺(tái)純化的同時(shí)，另外一臺(tái)進(jìn)行再生過(guò)程。

吸附時(shí)，在投用的前一段時(shí)間內(nèi)，進(jìn)出口管道溫度將由25℃逐漸降低到約12℃。

吸附凈化達(dá)到飽和時(shí)，就到了切換時(shí)間，由程序控制器切換到另外一只吸附器。原純化器進(jìn)入再生階段。其再生過(guò)程分4個(gè)階段進(jìn)行：第1階段為降壓，污氮?dú)獬隹诤瓦M(jìn)口溫度隨著壓力的降低而降低；第2階段為加熱，加熱器加熱污氮?dú)?，純化器污氮入口溫度快速上升，在階段最后達(dá)到峰值，但是污氮出口溫度在再生開(kāi)始時(shí)上升，而在整個(gè)加熱階段溫度持續(xù)下降；第3階段為冷吹，具體表現(xiàn)為污氮?dú)膺M(jìn)口溫度迅速下降，出口溫度持續(xù)上升，到達(dá)峰值后，逐漸下降；第4階段為升壓，隨著純化器壓力的升高，進(jìn)出口溫度都有所升高。再生污氮?dú)獬鋈肟谧罡邷囟确謩e為170℃、90℃。

為了保證分子篩純化器的吸附能力，在純化器第一次開(kāi)車、二氧化碳穿透純化器的情況下，進(jìn)行特殊再生。分子篩出入口溫度最高達(dá)到290℃、230℃。工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 分子篩系統(tǒng)工藝流程圖

2.2 計(jì)算程序及工況設(shè)置

本文用CAESARⅡ軟件進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算。軟件初始工況設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 初始工況列表

由于安裝溫度21℃大于分子篩吸附時(shí)的溫度12℃，工況6、7、8、9不符合循環(huán)極限位移應(yīng)力范圍，即不符合二次應(yīng)力的定義，為了準(zhǔn)確校核二次應(yīng)力，增加兩個(gè)工況10、11，但是從吸附到特殊再生之間純熱態(tài)工況不會(huì)循壞發(fā)生，所以工況11不予考慮。只需要考慮工況1、2、3、4、5、10。

3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果評(píng)定

3.1 管道初始模型應(yīng)力分析

利用有限元軟件對(duì)分子篩、加熱器管口分析，得到分子篩、加熱器和管道連接處的剛度值，帶入CAESARⅡ軟件中，進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算。分子篩進(jìn)出口管道初始模型見(jiàn)圖2。

圖2 分子篩進(jìn)出口管道初始模型

經(jīng)計(jì)算，分子篩進(jìn)出口管道一次應(yīng)力分別為許用應(yīng)力的37%、53.5%，滿足規(guī)范要求。

計(jì)算二次應(yīng)力的時(shí)候，要考慮管道位移應(yīng)力范圍折減系數(shù)f,因?yàn)橐话惴肿雍Y純化系統(tǒng)的使用壽命為20～25年，按20年計(jì)算，則管道系統(tǒng)在正常使用壽命內(nèi)循環(huán)次數(shù)大約為7萬(wàn)次，按GB50316中列表f取0.6。根據(jù)GB3091，碳素結(jié)構(gòu)鋼不能用于劇烈循環(huán)工況，而又根據(jù)GB20801規(guī)定[3]，劇烈循環(huán)條件是指：管道計(jì)算的最大位移應(yīng)力范圍σE超過(guò)0.8倍許用的位移應(yīng)力范圍(即0.8σA)和當(dāng)量循環(huán)數(shù)N大于7000，或由設(shè)計(jì)確定的產(chǎn)生相等效果的條件。由于分子篩的循環(huán)次數(shù)已超過(guò)7000次，所以此處應(yīng)不滿足第一個(gè)條件以避免劇烈循環(huán)工況的發(fā)生，即

σE?0.8σA=0.8f[1.25([σ]c+[σ]h)-σL]

則在CAESARⅡ軟件許用應(yīng)力一欄后填入應(yīng)力折減系數(shù)f=0.48。經(jīng)計(jì)算，分子篩進(jìn)出口管道二次應(yīng)力分別為許用應(yīng)力的129.1%、192.8%，不能滿足規(guī)范要求。同時(shí)計(jì)算結(jié)果顯示管口載荷值過(guò)大，滿足不了供貨商的載荷要求。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，造成管口荷載和二次應(yīng)力超標(biāo)的主要原因是管道X方向位移過(guò)大，Z向管道較短，不能吸收X方向位移，且設(shè)備管口剛度值較大。

3.2 管道初始模型優(yōu)化

由于管道整體X方向位移太大，需要加長(zhǎng)Z向管道來(lái)吸收X方向位移，而由于空間受限，加長(zhǎng)Z向管道的方案不能實(shí)施，故需要設(shè)置通用性大拉桿膨脹節(jié)來(lái)吸收橫向位移(圖中X方向位移)和少量的軸向位移(圖中Z方向位移)，設(shè)置膨脹節(jié)后模型見(jiàn)圖3。

圖3 分子篩進(jìn)出口管道模型(設(shè)置膨脹節(jié))

其中CAESARⅡ軟件中膨脹節(jié)建模應(yīng)特別注意：膨脹節(jié)通過(guò)有效直徑，將膨脹節(jié)的反作用力作用于拉桿，拉桿用管子建模，設(shè)置為剛性件，直徑與管徑相同，壁厚、重量分別按以下公式計(jì)算：

t=NDrod2/40D0

W=0.283NLDrod2π/4

式中，N為拉桿的數(shù)量；Drod為拉桿直徑；D0為管道元件外徑；L為拉桿長(zhǎng)度。

由于拉桿在管道保溫層的外面，故拉桿的溫度設(shè)置為環(huán)境溫度。膨脹節(jié)端板與拉桿之間的約束應(yīng)為X、Y、Z與RZ，約束RZ防止膨脹節(jié)扭轉(zhuǎn)。剛度輸入時(shí)，應(yīng)選取以往項(xiàng)目管徑最接近、類型相同膨脹節(jié)剛度值輸入，保證應(yīng)力及管口荷載校核通過(guò)，提交膨脹節(jié)數(shù)據(jù)表(其中包括剛度值、位移值等)供采購(gòu)。待正式的廠家圖紙確認(rèn)后，需要用確定下的剛度值完成核算。注意膨脹節(jié)施工完畢后，檢查拉桿外側(cè)螺母緊固，以承受盲板力；內(nèi)測(cè)螺母松開(kāi)，以吸收軸向位移。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)置了膨脹節(jié)的分子篩管道進(jìn)出口管道的二次應(yīng)力分別為83.5%，80.3%，滿足規(guī)范的要求。管口操作態(tài)載荷表見(jiàn)表2。

提交分子篩供貨商，供貨商反饋A1設(shè)備N3管口FX、FY、FZ、MY，MZ，N4管口FZ超出廠家要求；A2設(shè)備N3管口的FX、FY、FZ、MY、MZ超出廠家要求。采取以下措施解決：由于分子篩出入口管道管徑大，重量大，導(dǎo)致摩擦力大，所以選用低摩擦管托，以減小摩擦力和設(shè)備管口荷載。

表2 分子篩進(jìn)出口管口荷載列表

分子篩純化器出入口豎直管道上設(shè)置彈簧支吊架。為了減小分子篩管口的載荷，希望將管口的重量盡量由彈簧支吊架來(lái)承擔(dān)，若按吊零分配就不能滿足這種要求。所以人為給彈簧配載，使管口的豎直載荷由彈簧支吊架多承擔(dān)一些；在選擇彈簧支吊架時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種工況，包括安裝、吸附、再生、特殊再生等；管道直徑D>500mm，一般設(shè)置兩個(gè)彈簧并聯(lián)，這樣既能保證穩(wěn)定性，又比較經(jīng)濟(jì)；由于管道管徑一般都比較大，閥門(mén)、法蘭比較重，管道溫度高位移大，彈簧安裝高度高，彈簧選型時(shí)一定要考慮空間的問(wèn)題。

在分子篩設(shè)備出入口管道彎頭處較近處，設(shè)置限位支架，減小管口水平荷載。修改后管口操作態(tài)載荷表見(jiàn)表3。

表3 分子篩進(jìn)出口管口荷載列表

經(jīng)供貨商確認(rèn)滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

空分裝置分子篩多工況管道應(yīng)力分析的要點(diǎn)：

(1)分子篩高溫、低溫交變循環(huán)工況詳細(xì)的分析、應(yīng)力計(jì)算工況正確的設(shè)置，是保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提。

(2)分子篩系統(tǒng)中通用性大拉桿膨脹節(jié)、彈簧支吊架、限位支架、低摩擦管托的設(shè)置可以有效降低管道應(yīng)力水平，降低分子篩設(shè)備管口荷載值，以滿足廠商要求。