申登巒 魏安安 王 瑤

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213016)

石油加氫裝置放空管道的動(dòng)態(tài)分析

申登巒 魏安安 王 瑤

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213016)

化工裝置在突然放空時(shí)，放空氣體會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生很大的推力，從而危及管道安全。結(jié)合某工程實(shí)例，采用CAESARII軟件對(duì)放空管道進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，應(yīng)用模態(tài)分析計(jì)算出了管道系統(tǒng)的固有頻率，應(yīng)用力響應(yīng)頻譜法分析了管道的安全閥載荷和氣錘載荷對(duì)管道系統(tǒng)的影響，找到了受氣錘載荷和安全閥載荷沖擊影響最大、振動(dòng)最劇烈的位置，并對(duì)此位置進(jìn)行改進(jìn)。據(jù)改進(jìn)后的方案重新建模并分析，管道振動(dòng)情況明顯減緩并安全地通過了模擬工況下的放空試驗(yàn)。

放空管道 動(dòng)態(tài)分析 力響應(yīng)頻譜法 CAESARII軟件

放空管道用于石化裝置在突然停電、超壓及出現(xiàn)故障等意外情況時(shí)，通過安全閥的開啟，釋放系統(tǒng)中的介質(zhì)并降壓，以保護(hù)裝置的安全，這也是保護(hù)裝置安全的最后一道屏障。

管道應(yīng)力分析軟件CAESARII可以進(jìn)行管道的靜力和動(dòng)力分析，功能齊全，因而在全世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用[1,2]。

某石化廠為了節(jié)省占地，在技術(shù)改造中將現(xiàn)有的兩個(gè)石油加氫裝置的放空管道合并到一條原有放空管道中。筆者采用軟件CAESARII對(duì)管道進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，以校核此管線的安全性。

石油加氫裝置在安全閥開啟時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的氣體排放反力，使得管道安全存在很大隱患。放空管內(nèi)介質(zhì)和安全閥的基本參數(shù)如下：

容器內(nèi)介質(zhì) 飽和蒸汽

容器內(nèi)最高工作溫度 250℃

安全閥型號(hào) HF-CA48Y-100C

安全閥起跳壓力 4 170kPa

安全閥喉部直徑 80mm

安全閥公稱直徑 100mm

泄放量 8.26kg/s

放空管直徑 200mm

放空管出口處的壓強(qiáng) 497kPa

安全閥出口管的直徑 150mm

現(xiàn)用兩種方法計(jì)算氣體排放反力。

API-520中計(jì)算排氣反力的公式[1]為：

(1)

式中A——泄放出口面積，mm2；

F——泄放反力，N；

p——泄放管出口靜壓，kPa；

T——出口溫度，K；

w——?dú)怏w流量，kg/s。

將放空管道各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入式(1)可得F=46033.19N。

另外，采用CAESARII軟件計(jì)算排氣反力。將管道內(nèi)介質(zhì)和安全閥的參數(shù)導(dǎo)入CASEARII中的Relief Load Synthesis模塊計(jì)算所得安全閥放空時(shí)的氣體排放反力F=36108.57N。

兩種方法的計(jì)算結(jié)果有一定差異，用API-520中的方法計(jì)算的結(jié)果較大。為保守起見，筆者取較大的數(shù)值應(yīng)用于管道的動(dòng)態(tài)分析，在進(jìn)行管道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析之前，必須先進(jìn)行靜態(tài)分析。

2 管道動(dòng)態(tài)分析

在項(xiàng)目完成初期，該廠做過一次小型放空試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)第五個(gè)彎頭(即節(jié)點(diǎn)249)處振動(dòng)劇烈(振幅近200mm)，嚴(yán)重超過了國家標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)著重介紹此管道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析，在進(jìn)行管道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析前，必須先進(jìn)行靜態(tài)分析。

2.1靜態(tài)分析

建立管道系統(tǒng)的模型，管道模型與節(jié)點(diǎn)分布如圖1所示。經(jīng)分析管道的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和管道熱應(yīng)力均未超出應(yīng)力許用值。

圖1 管道模型與節(jié)點(diǎn)分布

2.2動(dòng)態(tài)分析

影響放空管道振動(dòng)的主要因素是氣錘載荷和安全閥載荷，二者特性曲線的特點(diǎn)都是載荷值從零突然躍升到某一定值，然后保持一定時(shí)間后再突然降到零[3]。求解這種具有脈沖力/時(shí)間特性曲線的最常用方法是時(shí)程法和力頻譜法。時(shí)程分析采用數(shù)值積分方法模擬載荷的作用，這種方法需要迭代，人工計(jì)算部分較為繁瑣，因此工程上常用力響應(yīng)頻譜法計(jì)算氣錘對(duì)管道的影響[4]。

2.2.1模態(tài)分析

模態(tài)解僅進(jìn)行本征解計(jì)算，在頻譜分析前也需要進(jìn)行本征解的計(jì)算。模態(tài)分析只是為了求解管道系統(tǒng)的固有頻率和振型，因此不需要定義載荷，只需將法蘭剛度輸入即可運(yùn)算[5,6]。經(jīng)計(jì)算，此管線前五階的固有頻率為1.073、1.680、2.254、2.550、3.112Hz。此排放管系的一階固有頻率小于DL/T 5054-1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)》中規(guī)定的一階固有頻率的最小值3.500Hz，極易受外界干擾發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)。

2.2.2安全閥排放反力分析

將上述求得的安全閥排放反力依次施加到管道彎頭處，并在每個(gè)彎頭處采用CAESARII軟件建立安全閥放空時(shí)氣體排放反力的響應(yīng)頻譜，找到安全閥排放反力對(duì)管道影響最強(qiáng)的力，并用此力校核管道和支架應(yīng)力[7]。以節(jié)點(diǎn)249為例生成的頻譜曲線如圖2所示?？梢钥闯觯l率為0.586Hz時(shí)動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)最大(1.997)，即此時(shí)安全閥排放的氣體反力對(duì)管道的影響最大。

圖2 節(jié)點(diǎn)249處排放反力與時(shí)間響應(yīng)頻譜

計(jì)算安全閥排氣工況下固定支架上的受力，結(jié)果見表1。

表1 力作用在節(jié)點(diǎn)249處固定支架的受力

由以上的力，校核管道在安全閥排放工況下固定支架上的應(yīng)力。

從CAESARII軟件的輸出文件中分別讀取排放反力施加到每個(gè)彎頭上時(shí)，各支架上受到的動(dòng)態(tài)推力載荷，并進(jìn)行管道與支架的應(yīng)力校核。經(jīng)校核，管道和支架的應(yīng)力均未超過許用值。

2.2.3氣錘力分析

用文獻(xiàn)[7]中的公式計(jì)算得到這條放空管線的氣錘力的大小、方向和作用位置見表2。

表2 氣錘力大小、方向與作用位置

從廠家提供的氣錘脈動(dòng)時(shí)間歷程波形圖(圖3)中，讀出壓力波從零到達(dá)極值的時(shí)間為0.09s。載荷的持續(xù)時(shí)間計(jì)算式為：

t=L/c

(2)

式中c——壓力波傳播速度；

L——相鄰彎頭-彎頭對(duì)之間的距離。

圖3 氣錘脈動(dòng)波形

以節(jié)點(diǎn)249處的彎頭為例，在節(jié)點(diǎn)249處產(chǎn)生最大的變形彎頭-彎頭對(duì)是249和429。對(duì)于249彎頭-彎頭對(duì)在6 000mm單元管長計(jì)算的最大截止頻率：

fcutoff=SQRT(305E/ρ)/L=136.9Hz

(3)

式中E——管材的彈性模量；

ρ——管材的密度。

取最大頻率150Hz，用CAESARII軟件生成的頻譜分析如圖4所示，頻譜數(shù)據(jù)見表3。

圖4 節(jié)點(diǎn)處氣錘力與時(shí)間響應(yīng)頻譜

階次頻率/Hz動(dòng)載荷系數(shù)80．75851．371091．21501．8242101．85191．9549112．71131．9049123．84001．8148

由圖4和表3可以看出，在此管系中管道頻率為1.851 9～2.711 3Hz時(shí)氣錘力有明顯加強(qiáng)，氣錘力對(duì)管道的影響最為明顯。

對(duì)每個(gè)彎頭對(duì)進(jìn)行上述分析，并輸出各彎頭的位移量，將每個(gè)彎頭的最大位移量列于表4，放空過程中管道波動(dòng)形態(tài)如圖5所示?？梢钥闯?，在氣錘力的作用下節(jié)點(diǎn)249處的彎頭位移量最大(340.33mm)，這與先前的放空試驗(yàn)結(jié)果吻合。

表4 各彎頭的最大位移量

圖5 管道波動(dòng)形態(tài)

3 管道系統(tǒng)的優(yōu)化

分析管系受氣錘載荷的影響，發(fā)現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)249處的彎頭振動(dòng)最為劇烈，同時(shí)發(fā)現(xiàn)整個(gè)管系的固有頻率較低，為此在節(jié)點(diǎn)250處增加一個(gè)固定約束，并在管道與支座間增加一個(gè)大于5mm的橡膠墊片。在節(jié)點(diǎn)619處(即圖1中的三通處)增加一個(gè)支撐約束。

按照修改后的方案，應(yīng)用CASEARII軟件重新建模，并對(duì)管道進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，結(jié)果表明管道與各支架應(yīng)力符合國家標(biāo)準(zhǔn)，各彎頭偏移量均在允許范圍內(nèi)，彎頭的最大偏移量縮小到50mm。最后對(duì)該放空管道進(jìn)行模擬真實(shí)工況的泄放試驗(yàn)，結(jié)果表明管道與支架系統(tǒng)均穩(wěn)定安全，管道振動(dòng)幅度明顯減小，未見明顯的屈服、偏移和變形。目前該放空管道已經(jīng)投入使用，未發(fā)生異?，F(xiàn)象。

4 結(jié)束語

結(jié)合某石化廠裝置放空管道的具體實(shí)例，介紹了在裝置放空時(shí)氣體對(duì)管道沖擊力的計(jì)算方法，以及采用CAESARII軟件對(duì)放空管道的動(dòng)態(tài)模擬過程，找出了管道振動(dòng)劇烈的原因，并提出了改進(jìn)方案。為優(yōu)化管道設(shè)計(jì)與布置，以及優(yōu)化運(yùn)行方式提供了依據(jù)。

[1] 趙晉云,周興濤,劉冰,等.國內(nèi)外輸氣管道放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2013,32(3):274～278.

[2] 葉源,吳勇.聚乙烯裝置工業(yè)高壓管線設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析[J].石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2012,28(5):31～33.

[3] 吳曉南,盧泓方,黃坤,等.基于頻譜分析的地震帶輸氣管道應(yīng)力分析方法[J].天然氣工業(yè),2014,34(5):152～157.

[4] 張樂川,胡訓(xùn)棟,李琳.火力發(fā)電廠主要管道精確動(dòng)態(tài)分析方法及應(yīng)用[J].發(fā)電設(shè)備,2011,25(6):402～407.

[5] 喻斌,張世彬,左勇,等.CAESAR II用于輸氣管道法蘭泄漏的治理[J].油氣田地面工程,2013,32(3):32～33.

[6] 李方圓,江濤,李玉星,等.川氣東送管道放空參數(shù)的計(jì)算[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2010,29(6):427～429.

[7] 吳曉南,鮮燕,黃坤,等.運(yùn)行工況下隧道內(nèi)輸氣管道的應(yīng)力分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2012,31(12):927～930.

DynamicAnalysisofVentPipesinOilHydrogenationUnit

SHEN Deng-luan, WEI An-an, WANG Yao

(SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213016,China)

Sudden venting operation can incur great thrust on the pipelines and endanger their security. Taking a project as an example, dynamically analyzing the vent pipe was performed with CAESARII software, including having their natural frequency calculated through modal analysis method and the influence of pipeline relief valve’s load and the steam hammer’s load on the pipeline system analyzed by employing a force response spectrum method so as to determine the location where the largest thrust from both hammer’s load and relieve valve’s load and the most violent vibration exist and can be improved. Having improved scheme based to model and analyze the vibration of pipelines shows that pipeline vibration becomes decreased and the vent pipeline system safely passed the vent test under the simulated conditions.

vent pipe, dynamic analysis, force response spectrum method, CAESARII software

TQ055.8

A

1000-3932(2016)02-0173-04

2015-11-15(修改稿)