陳麗娜

上海寰球工程有限公司　上?！?00030

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烷氧基化裝置中管道系統(tǒng)的應(yīng)力分析

陳麗娜*

上海寰球工程有限公司上海200030

利用CAESAR Ⅱ?qū)ν檠趸b置中反應(yīng)器管道系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析, 通過(guò)合理選擇膨脹節(jié)、彈簧、拉桿和彈簧泵等,實(shí)現(xiàn)管道布置的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

彈簧泵應(yīng)力分析管道布置

烷氧基化為通過(guò)加入不同量的環(huán)氧化物到有機(jī)物(鏈引發(fā)劑)中，獲得一個(gè)或多個(gè)活性氫原子，引發(fā)可以生產(chǎn)廣泛類別的非離子表面活性劑產(chǎn)品的烷氧基化反應(yīng)?？偡磻?yīng)的工藝介質(zhì)計(jì)量精細(xì)，甚至與反應(yīng)器連接的管道的容積也計(jì)算在內(nèi)。因此設(shè)備的布置由工藝條件確定下來(lái)，不可以有大的變動(dòng)。這給管道的應(yīng)力分析帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

通過(guò)合理選用膨脹節(jié)和彈簧泵,利用有限元管道應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ?qū)ρb置中的管道進(jìn)行了應(yīng)力分析，完成了管道布置的柔性設(shè)計(jì)[1]。

1　烷氧基化反應(yīng)及管道計(jì)算參數(shù)

管道計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　管道計(jì)算參數(shù)

某烷氧基化裝置的反應(yīng)器系統(tǒng)主要包括反應(yīng)器R、循環(huán)泵P和換熱器E。根據(jù)產(chǎn)品配方，向反應(yīng)器內(nèi)加入原料，啟動(dòng)循環(huán)泵后，通過(guò)噴霧方式持續(xù)加入一定量的環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷使之反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由換熱器移除。裝置布置見圖1。

圖1　原裝置布置

應(yīng)力分析按照美國(guó)ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)備管口受力按照設(shè)備廠家的許用載荷執(zhí)行，設(shè)備廠家提供的許用載荷見表2。

表2　廠家提供靜設(shè)備管口許用載荷

循環(huán)泵口應(yīng)該按照API610列明的許用載荷的2倍執(zhí)行，但考慮到設(shè)備布置的局限性，故與泵廠家協(xié)商將垂直方向Fz按10倍API610許用載荷執(zhí)行，其他方向按照3倍API610許用載荷。具體見圖2和表3。

圖2　API610標(biāo)準(zhǔn)泵管口方向

表3　廠家提供的泵管口許用載荷

2　管道布置

因?yàn)楣に嚄l件的限制，管道的走向不能有大的改動(dòng)，另外由于管道高溫運(yùn)行，必須增加管道的柔性，因此膨脹節(jié)是最佳的選擇。泵出口管道B運(yùn)用2個(gè)萬(wàn)向角膨脹節(jié)和1個(gè)單鉸鏈膨脹節(jié)，配合彈簧和拉桿作用能有效地控制管道的應(yīng)力值和設(shè)備的管口受力。膨脹節(jié)的布置見圖3。

圖3　膨脹節(jié)和彈簧泵布置

對(duì)于泵進(jìn)口管道A，從兩方面進(jìn)行改進(jìn)以降低泵口受力。首先將反應(yīng)器R的支耳降低，從3層平臺(tái)降到2層平臺(tái)上。這樣泵進(jìn)口總熱位移從34mm降到了28mm。其次在管道A上設(shè)置軸向內(nèi)壓型膨脹節(jié)，將膨脹節(jié)進(jìn)行預(yù)拉伸一半位移。因?yàn)楣艿揽趶酱?，長(zhǎng)度短，所以膨脹節(jié)的長(zhǎng)度有嚴(yán)格限制，用于放置膨脹節(jié)的長(zhǎng)度最多只有600mm。還要考慮內(nèi)壓推力對(duì)泵口的作用，也就是說(shuō)，泵口受力不僅是膨脹節(jié)的彈性力，還要加上內(nèi)壓推力，這里的內(nèi)壓推力是按照膨脹節(jié)的有效面積減去泵口的內(nèi)截面面積后乘以操作壓力得到的。因?yàn)樵摫脠?zhí)行API610標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)泵管口的校核僅考慮操作壓力。

膨脹節(jié)廠家提供的參數(shù)如下：

膨脹節(jié)長(zhǎng)度L為700mm；軸向剛度Ke為1100N/mm；有效面積A為183984mm2；泵進(jìn)口P#SUC尺寸：外徑Do為355.6mm (NPS14″)；壁厚s為11.13mm；減去內(nèi)徑后的有效面積Aa為96758.3mm2(Aa=183984-π(355.6÷2-11.13)2)；泵進(jìn)口P#SUC操作壓力Ps為0.5N/mm；作用于泵口的軸向內(nèi)壓推力F1為48379 N(F1=Aa×Ps=96758.3×0.5)；熱位移量Δ為28 mm；作用于泵口的膨脹節(jié)彈性力F2為15400 N(因?yàn)轭A(yù)拉伸一半，壓縮的位移減少一半：Δ’=14mm)[2]。

由上述推導(dǎo)過(guò)程可見：雖然膨脹節(jié)在泵口的軸向內(nèi)壓推力和彈性力的合作用力在10倍API610許用載荷內(nèi)。但是膨脹節(jié)的長(zhǎng)度超出了最大安裝長(zhǎng)度，因此無(wú)法通過(guò)膨脹節(jié)來(lái)降低管口載荷。

經(jīng)過(guò)與工藝專業(yè)的溝通，決定取消泵進(jìn)口管A加膨脹節(jié)的方案，引進(jìn)帶彈簧基座的泵，泵體在垂直方向可以移動(dòng)以便吸收來(lái)自進(jìn)口管道的軸向熱位移。

泵廠家提供的彈簧泵數(shù)據(jù)，見圖4。

圖4　泵基座上彈簧的位置、剛度和冷載荷

彈簧沿軸向的剛度值不同，且軸向?qū)ΨQ。泵體側(cè)剛度大，電機(jī)側(cè)剛度小?？倓偠葹?468N/mm。

3　結(jié)果與討論

3.1應(yīng)力分析

按照泵廠家提供的彈簧數(shù)量、位置、剛度和冷態(tài)載荷，對(duì)管口進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力分析，操作工況下結(jié)果見表4。

表4　按原彈簧參數(shù)計(jì)算各管口的受力

由表4可知，E#S1管口的各方向受力都小于廠家給定的許用載荷，這樣是安全可靠的。需要注意的是反應(yīng)器R#S1管口FY方向超出許用載荷近3倍，循環(huán)泵P#SUC管口FY方向超出許用載荷30倍，明顯這樣是不符合要求的。分析原因：進(jìn)口管A和反應(yīng)器R的熱位移總和是一定的，為28mm。由胡克定律F=K×Δ可知：位移Δ一定，受力F和彈簧剛度K成正比。粗略計(jì)算F=K×Δ=9468×28=265104N，與計(jì)算值相近。因此可以斷定廠家提供的彈簧剛度值太大。

3.2彈簧剛度值過(guò)大的原因

經(jīng)過(guò)與泵廠家的溝通，找到了彈簧剛度過(guò)大的原因。

在設(shè)計(jì)泵的彈簧時(shí)，使用了錯(cuò)誤的初始條件，參數(shù)見圖5。

圖5　錯(cuò)誤的受力和彈簧總剛度計(jì)算過(guò)程

由圖5可見：彈簧計(jì)算的起始位置是呈空置狀態(tài)下的彈簧基座位置，然后泵體電機(jī)等重量放上去，泵口許用載荷施加上去，調(diào)平彈簧基座并且使其總位移量為28mm，從而得到彈簧的剛度。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算彈簧總剛度8750N/mm。廠家提供的12個(gè)彈簧剛度值總合9468N/mm，兩個(gè)值相近。

這樣設(shè)置初始條件參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)彈簧的錯(cuò)誤有2點(diǎn)：

(1)彈簧基座是空的，然后泵體電機(jī)的重量放上去后要標(biāo)記一個(gè)位移值，此位移值是冷位移，不應(yīng)包含在28mm熱位移里面。

(2)泵口的作用力應(yīng)使用實(shí)際受力，不能使用許用載荷，許用載荷只是一個(gè)安全的適用范圍，不是真實(shí)的泵口受力且遠(yuǎn)大于泵口真實(shí)受力[3]。

正確的初始條件參數(shù)見圖6。

圖6　正確的受力和彈簧總剛度計(jì)算過(guò)程

通過(guò)將泵廠家提供的錯(cuò)誤的彈簧剛度等比例縮小，代入CAESARⅡ軟件計(jì)算，當(dāng)剛度縮小的比例達(dá)到90%的時(shí)候，計(jì)算結(jié)果符合設(shè)備口和泵口各方向的許用載荷，取此時(shí)的泵口受力為預(yù)估實(shí)際受力。泵廠家經(jīng)過(guò)修正，再次提供了彈簧泵數(shù)據(jù)見表5。

按照泵廠家更新后的彈簧數(shù)量、位置、剛度和冷態(tài)載荷進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力分析，操作工況下結(jié)果見表6。

表5　更正后泵基座上彈簧的剛度和冷載荷

由表6可知,更新了彈簧數(shù)據(jù)之后重新計(jì)算，各設(shè)備管口的受力都小于廠家的許用載荷。確定此方案可行。

表6　按新彈簧參數(shù)計(jì)算各管口的受力

3.3管系穩(wěn)定性的提高

本管系的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)從兩方面考慮：

(1)由于轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備安裝要求嚴(yán)格，而且此設(shè)備采用彈簧基座，穩(wěn)定性差。所以在泵進(jìn)口管A設(shè)置一個(gè)導(dǎo)向架。

(2)泵出口管B設(shè)有三個(gè)膨脹節(jié)(圖3)。換熱器E下面的垂直管段上的膨脹節(jié)為單鉸鏈膨脹節(jié)：僅限繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而吸收管B水平段的熱脹位移。管B水平段上為兩個(gè)串聯(lián)的萬(wàn)向角膨脹節(jié)：允許繞Y和Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而吸收來(lái)自垂直管段的熱脹位移和泵口的附加位移。由于選用了膨脹節(jié)和彈簧架，管道系統(tǒng)的剛度小，穩(wěn)定性差。故設(shè)置剛性拉桿和導(dǎo)向架，以保證管道對(duì)泵口的推力主要集中在垂直方向，橫向的推力由拉桿和導(dǎo)向支架承受。為了增強(qiáng)穩(wěn)定性，彈簧兩側(cè)設(shè)置了導(dǎo)向支架。目前該系統(tǒng)運(yùn)行良好。

4　建議

對(duì)類似系統(tǒng)的管道應(yīng)力分析提出幾點(diǎn)建議：

(1)因?yàn)榭臻g有限，膨脹節(jié)在選用時(shí)要及時(shí)和膨脹節(jié)廠家進(jìn)行尺寸和剛度的確認(rèn)。確保膨脹節(jié)的選用合理。

(2)對(duì)彈簧泵的設(shè)計(jì)，冷位移與熱位移要區(qū)分。彈簧因?yàn)楸皿w和電機(jī)等重力的作用產(chǎn)生的位移是冷位移。因?yàn)樵O(shè)備和管道的熱脹傳遞到泵上的位移是熱位移。管道應(yīng)力專業(yè)可以提供較準(zhǔn)確的熱位移給廠家進(jìn)行彈簧設(shè)計(jì)。彈簧的總位移是冷位移和熱位移之和。

(3)對(duì)彈簧泵的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)要隨著泵口計(jì)算載荷的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，直至既能滿足泵口載荷的要求，又能保證泵的正常操作。

(4)由于管道系統(tǒng)選用了膨脹節(jié)和彈簧，要注意通過(guò)設(shè)置合理的管架系統(tǒng)來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5　結(jié)語(yǔ)

烷氧基化裝置因?yàn)楣に嚱橘|(zhì)劑量的精細(xì)，設(shè)備和管道的布置被限定，很難通過(guò)改變管道布置來(lái)增加管道柔性。類似情況下可以選用膨脹節(jié)增加管道柔性。當(dāng)膨脹節(jié)仍不能滿足要求的情況下，可以考慮使用帶彈簧基座的循環(huán)泵。要注意彈簧設(shè)計(jì)時(shí)初始條件選擇不當(dāng)會(huì)使彈簧的剛度值不當(dāng)，從而影響對(duì)管口受力的控制效果。

1唐永進(jìn). 壓力管道應(yīng)力分析[M]. 北京：中國(guó)石化出版社, 2003：77.

2劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社, 2004：15.

3安連鎖. 泵與風(fēng)機(jī)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社, 2008：51.

*陳麗娜：工程師。2008年畢業(yè)于上海理工大學(xué)制冷與低溫技術(shù)專業(yè)獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)從事化工工藝管道的應(yīng)力分析工作。聯(lián)系電話:13564632493，E-mail: chenlina@hqcec.com。

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