楊 遠(yuǎn),蔣晶晶

(1.華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；2.長(zhǎng)慶油田分公司 第六采氣廠，陜西 西安 710018 )

在甲醇合成精餾中，空冷器設(shè)備是整個(gè)裝置的主要設(shè)備，也是最薄弱的設(shè)備，其進(jìn)出口介質(zhì)具有可燃性，一旦泄漏可能引起火災(zāi)爆炸等安全事故，對(duì)裝置的安全生產(chǎn)造成威脅。由于管道內(nèi)介質(zhì)溫度高壓力高，所以管道材質(zhì)也有較高的要求。這就要求管道應(yīng)力分析人員合理、準(zhǔn)確模擬分析空冷器進(jìn)出口的管道應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，管道布置專業(yè)優(yōu)化管道走向，最終完成管道的配管。而準(zhǔn)確的應(yīng)力分析既能保證空冷器管口、進(jìn)出口管道的安全，也能根據(jù)計(jì)算結(jié)果，減少不必要的柔性，使得管道盡量短，從而盡量減少投資。

案例為180萬(wàn)t/a甲醇合成裝置，采用英國(guó)DAVA(戴維)公司技術(shù)，專利商對(duì)空冷器進(jìn)出口管道布置有嚴(yán)格對(duì)稱要求。裝置共有空冷器3臺(tái)，2臺(tái)粗甲醇冷凝器、1臺(tái)轉(zhuǎn)化氣一級(jí)冷卻器，文章以其中1臺(tái)粗甲醇冷凝器為例(以下簡(jiǎn)稱空冷器)。

1 空冷器進(jìn)出口系統(tǒng)管道應(yīng)力分析評(píng)定準(zhǔn)則

空冷器進(jìn)出口管道材質(zhì)為不銹鋼022Cr19Ni10。入口管道公稱直徑為200 mm～900 mm，900 mm對(duì)應(yīng)壁厚為54 mm；出口管道公稱直徑為200 mm～1 050 mm，其中1 050 mm對(duì)應(yīng)壁厚為54 mm。該管道采用有限元方法并按線性梁?jiǎn)卧M(jìn)行力學(xué)模擬，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。

1.1 管道應(yīng)力分析[1]

一次應(yīng)力校核：管道由于壓力、重力和其他持續(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——壓力引起軸向力之外的附件軸向力，N；A——管道橫截面積，mm2；P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；D——管道外徑，mm；S——管道有效厚度，mm；M——截面上合成彎矩，N·mm；W——抗彎截面模量，mm3。

一次應(yīng)力沒(méi)有自限行，應(yīng)力隨著外力荷載增大而增大，當(dāng)管道塑性區(qū)擴(kuò)展到極限狀態(tài)時(shí)，變?yōu)閹缀慰勺兘Y(jié)構(gòu)，即使外力荷載不增大，管道仍將發(fā)生不可限制流動(dòng)，直至破壞，所以一次應(yīng)力校核至關(guān)重要。

二次應(yīng)力校核：管道由于熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移約束產(chǎn)生的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力。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——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——平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)；io——平面外應(yīng)力增大系數(shù)；Mi——平面內(nèi)熱膨脹彎曲力矩，N·mm；Mo——平面外熱膨脹彎曲力矩，N·mm；Mn——管道橫截面扭矩，N·mm；W——抗彎截面模量，N·mm。

二次應(yīng)力具有自限性，當(dāng)發(fā)生局部屈服或者小的變形量時(shí)，應(yīng)力便可降低。校核二次應(yīng)力主要是為了防止低周疲勞破壞，要求結(jié)構(gòu)具有安定性。

金石灘海邊上，黑壓壓擠滿了人。李叔和不再給李老鬼搭茬，他把目光投向海中的黛玉峰，那些游泳的人當(dāng)中。他希望有付玉，不希望有老梅。老梅是個(gè)四十多歲的女人，和她做愛(ài)接吻，從年齡上講，李叔和覺(jué)得老梅像打春的蘿卜立秋的瓜一樣，過(guò)了發(fā)香發(fā)甜的節(jié)氣，開(kāi)始吃幾口還行，吃過(guò)幾次之后，就覺(jué)得翻胃，像小時(shí)候，喝牛棚里淘草缸的水一樣，帶著酸草味，也帶著一股漚牛糞的氣息。李叔和想罷手，他想罷手的時(shí)候，老梅卻來(lái)了興致，她瘋狂的欲望，讓他有些頭暈。昨天夜里，老梅說(shuō)明天我要去金石灘洗海水澡。我知道你在碼頭上捻船。我要去看看你捻船的樣子。不等老梅來(lái)看他捻船，他先沿著沙灘溜掉了。

1.2 設(shè)備管口校核

空冷器進(jìn)出口管道系統(tǒng)計(jì)算范圍：進(jìn)口為從中間換熱器到粗甲醇冷凝器，出口為從粗甲醇冷凝器到粗甲醇終冷器，所以涉及到管口校核的設(shè)備為中間換熱器、粗甲醇冷凝器和粗甲醇終冷器。

空冷器共有16組管箱，進(jìn)出口管口都為32個(gè)，管道的布置嚴(yán)格安裝供貨商對(duì)稱布置要求。空冷器的出入口在同側(cè)，管束和管箱為一個(gè)整體，1個(gè)管箱架構(gòu)包含兩個(gè)管束。當(dāng)空冷器設(shè)備管口承受管道外力時(shí)，該管口所在管箱可以徑向移動(dòng)18 mm,管箱前后共有4處承力點(diǎn)，管束固定點(diǎn)與進(jìn)出口同側(cè)。如圖1所示。

圖1 甲醇冷凝器的外形圖Fig.1 Outline drawing of methanol condenser

空冷器單個(gè)管口受力要求如表1所示，為兩倍的API661。單個(gè)固定集箱許用受力總和如表1所示。由兩個(gè)及以上的風(fēng)扇、結(jié)構(gòu)、增壓器和其他附屬設(shè)備組成的一組管束，其所有管口受力不能超過(guò)單個(gè)固定集箱許用受力的2倍。

表1 空冷器單個(gè)管口允許受力以及單個(gè)固定集箱允許受力總和Tab.1 Allowable forces and moments of single nozzle of air cooler and the allowable resultant forces and resultant moments of a single fixed header

中間換熱器和粗甲醇終冷器計(jì)算出的管口荷載值提交設(shè)備專業(yè)校核。

2 空冷器進(jìn)出口系統(tǒng)管道應(yīng)力分析條件定義

2.1 系統(tǒng)工藝參數(shù)

計(jì)算范圍進(jìn)口從中間換熱器到粗甲醇冷凝器入口的管道，粗甲醇冷凝器出口到粗甲醇終冷器入口的管道，管道原始布置如圖2所示。由于通常設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力過(guò)于保守，而且管道在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)是在正常操作狀態(tài)下運(yùn)行，所以管道的計(jì)算溫度和計(jì)算壓力取為操作溫度和設(shè)計(jì)壓力。粗甲醇分離器的進(jìn)出口溫度分別為107 ℃和60 ℃，設(shè)計(jì)壓力為9.3 MPa，水壓試驗(yàn)壓力為13.95 MPa。

圖2 粗甲醇冷凝器進(jìn)出口管道Fig.2 Inlet and outlet pipeline of crude methanol condenser

2.2 邊界條件定義

邊界的確定是有限元應(yīng)力分析的最基本問(wèn)題之一，這不僅關(guān)系到計(jì)算的準(zhǔn)確性，也影響計(jì)算的速度。而管道應(yīng)力分析的邊界條件一般可以分為兩類，設(shè)備管口和固定支架。文章管道系統(tǒng)邊界條件為中間換熱器、甲醇分離器、甲醇冷凝器等設(shè)備管口。如何高效準(zhǔn)確地模擬邊界條件成為應(yīng)力分子的關(guān)鍵工作之一。

“虛擬剛體”法模擬設(shè)備。應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ是基于梁?jiǎn)卧墓艿缿?yīng)力有限元分析程序，在石油化工等行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在軟件中，常常為了考慮閥門的重量、軸向熱膨脹對(duì)管道系統(tǒng)的影響，把閥門模擬為剛性體，重量為閥門的重量，與管道系統(tǒng)一起做應(yīng)力分析，閥門本身的剛度和強(qiáng)度并不校核。在模擬設(shè)備時(shí)，同樣采用該方法，與閥門模擬不同的是，管道系統(tǒng)的支架并不承受設(shè)備的重量，只需要模擬出設(shè)備熱膨脹對(duì)管道系統(tǒng)的影響即可。

采用“虛擬剛度法”對(duì)空冷器進(jìn)出口建模[2]，最為關(guān)鍵的一項(xiàng)工作是確定“固定點(diǎn)”，直接影響管口載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性。由圖1可以看出，空冷器進(jìn)出口的位置為X方向的固定位置，具體在模型上為X方向限位支架，限位間隙為0 mm。在管道安裝過(guò)程中，管道吊裝到指定安裝位置后，就將管箱和框架連接的螺栓擰開(kāi)，這樣管道在熱膨脹力的作用下，管口節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生向上的位移，但不能發(fā)生向下的位移，具體在模型上約束為+Y，摩擦系數(shù)為0.3。設(shè)備圖紙?zhí)峁┕芟湓摴芸谒诠芟淇梢詮较蛞苿?dòng)18 mm，具體在模型上約束為Z向限位支架，限位間隙為18 mm。如果有些板箱下墊PTFE板，摩擦系數(shù)則需要輸入為0.1。進(jìn)出口模型如圖3。

中間換熱器、甲醇分離器用有限元分析軟件分析，得到兩臺(tái)設(shè)備管口和設(shè)備連接位置的剛度值，帶入CAESARⅡ完成計(jì)算。

圖3 粗甲醇冷凝器進(jìn)口管道模型Fig.3 Model of inlet pipe of crude methanol condenser

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

管道初始模型如圖2，經(jīng)計(jì)算進(jìn)出口管道一次應(yīng)力最大處分別為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定許用的35.1%、39.7%，滿足規(guī)范要求。進(jìn)出口管道二次應(yīng)力最大處分別為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定許用的105.3%、29.7%。入口二次應(yīng)力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，且進(jìn)空冷器管道處剛性拉桿拉力(365點(diǎn))非常大，鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度已經(jīng)不能滿足。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，二次應(yīng)力超標(biāo)和剛性拉桿拉力大的原因是管道東西向長(zhǎng)65 m，在操作溫度107 ℃的情況下膨脹量達(dá)到100 mm,而兩側(cè)的水平管較短，不能吸收這么大的膨脹量，最后導(dǎo)致結(jié)果超標(biāo)，所以利用加Π型彎的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

3.2 管道上設(shè)置Π型補(bǔ)償彎

管道上設(shè)置派彎的模型如圖4。經(jīng)計(jì)算一次應(yīng)力為40.2%，二次應(yīng)力為25.4%，結(jié)果滿足規(guī)范要求。熱態(tài)管道支架反力如表2。其中，10點(diǎn)和110點(diǎn)為中間換熱器設(shè)備管口，管口受力提交設(shè)備專業(yè)校核設(shè)備管口受力，結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。310點(diǎn)為固定支架受力，365點(diǎn)剛性拉桿受力降到83 554 N，Π型彎效果明顯。

圖4 進(jìn)口管道修改后的模型Fig.4 Modified model of inlet pipeline

節(jié)點(diǎn)FX/NFY/NFZ/NMX/N·mMY/N·mMZ/N·m1099 460-36 642-2 402-32 269-53 95877 166350-48 0720000650-136 0680000110-60 369-24 218-12 508-14 05215 078-58 6191350-48 92800001750-44 76400002050-194 62200002400-40 0420000245-14 383-215 578-63 054000280-1 106-9 915-2 761000290-12 182-126 208-35 849000300-16 039-77 975-22 544000310-27 562-91 87314 824000320-4 411-80 02523 599000330-65-118 91335 67400034022 042-155 130-40 9890003650083 5540003670-349 9500000

3.3 管道上設(shè)置低摩擦副對(duì)管道應(yīng)力分析的影響

在管箱支撐處墊PTFE板(或者增加低摩擦副)，可以有效減小管道熱膨脹對(duì)空冷器管口載荷的影響。但是需要注意的是，在這種情況下，管道Z向位移增大，一定要注意廠家給定的徑向限位可移動(dòng)間隙，以免管道Z向位移大于可移動(dòng)間隙，造成管口受力過(guò)大。當(dāng)然當(dāng)管口受力過(guò)大時(shí)，可以要求廠家適當(dāng)放大徑向移動(dòng)間隙。在主管道支架處加設(shè)低摩擦管托，可以減小支架處水平摩擦力，但是可能增加設(shè)備管口載荷?？绽淦鬟M(jìn)管道低摩擦管托時(shí)主要節(jié)點(diǎn)支架反力如表3。

表3 空冷器進(jìn)口管道加低摩擦管托時(shí)主要節(jié)點(diǎn)支架反力Tab.3 Supports with plus low friction pipe bracket reaction forces and moments of air cooler inlet pipe

3.4 設(shè)備管口荷載校核

空冷器管口荷載值校核是該管系應(yīng)力計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)之一，不僅要完成設(shè)備單口荷載校核，同時(shí)要完成單個(gè)固定集箱的荷載校核。表4為管口載荷表以及校核結(jié)果，為了簡(jiǎn)單表述，表4只列了兩個(gè)最苛刻管束管口荷載值。結(jié)果表明，管口荷載滿足廠家荷載要求。

4 結(jié)語(yǔ)

空冷器管道應(yīng)力分析作為甲醇合成裝置關(guān)鍵管道應(yīng)力系統(tǒng)之一，這就要求管道應(yīng)力分析工程師準(zhǔn)確的模擬邊界條件，正確模擬“固定點(diǎn)”位置,才能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，此外還有以下注意點(diǎn)：

1)在管道上合理設(shè)置Π型補(bǔ)償彎，可以有效減小水平推力，二次應(yīng)力水平；

2)在空冷器支撐處設(shè)置低摩擦副或者PTFE板，并不是一定能減小管口載荷，有時(shí)候還會(huì)增加管口水平載荷；

3)空冷器的管口校核不僅要校核單口，還要同時(shí)校核單個(gè)固定集箱、單組管束的荷載。

表4 管口載荷表以及校核結(jié)果Tab.4 Nozzle load table and check results