張 宇，崔國(guó)棟，林 彬

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223）

概述

對(duì)全精餾無氫制氬成套空分設(shè)備而言，因產(chǎn)品氧氣要求壓力較低，多選擇塔內(nèi)液氧泵、液氧蒸發(fā)器的流程組合：液氧加壓后，在板翅式換熱器中與高壓空氣進(jìn)行換熱，氣化復(fù)熱后送出冷箱；復(fù)熱工序進(jìn)出冷箱的介質(zhì)管道均從換熱器冷箱頂部經(jīng)雙法蘭接管管口與外部管道連接。

常規(guī)工程設(shè)計(jì)中，考慮到空分裝置換熱器冷箱頂部管道較多，冷箱頂部管道多設(shè)置剛性“門”型支架，承受有效跨距內(nèi)管道安裝及閥門等設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的重量荷載。當(dāng)空分裝置因系統(tǒng)維檢等需求短?；蚱渌蛩匦栎^快恢復(fù)生產(chǎn)而進(jìn)行冷態(tài)開車時(shí)，由于是在保留主分餾塔內(nèi)低溫液體或主分餾塔內(nèi)溫度接近液化溫度的工況下開車，開車初期熱負(fù)荷較大，為避免液體汽化造成上塔壓力過高，會(huì)增大主換熱器返流污氮?dú)獾獨(dú)饬髁?，降低上塔壓力，此時(shí)因主換熱器中僅低焓值的低壓空氣進(jìn)入而熱負(fù)荷低，無法將返流氣體復(fù)熱至理想溫度，此時(shí)污氮?dú)獾獨(dú)獾臏囟葧?huì)經(jīng)常低于0℃甚至達(dá)-20℃。［1］研究接換熱器冷箱外部返流管道的冷縮對(duì)管系應(yīng)力及支架承載的影響是工程設(shè)計(jì)中必須重要關(guān)注的安全因素。

利用CAESAR II 軟件，在對(duì)返流污氮?dú)夤艿啦煌r下的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，研究在空分裝置板翅式換熱器冷箱頂部返流復(fù)熱氣體管道應(yīng)力變化特征，提出該段管系合理設(shè)置彈簧支架的必要性，為空分系統(tǒng)返流復(fù)熱氣體管道的設(shè)計(jì)優(yōu)化及彈簧支架的設(shè)置、選型提供了理論依據(jù)。

1 物理建模

換熱器冷箱外管道采用三維配管軟件建模，其應(yīng)力分析選用目前使用最為廣泛的CAESAR II軟件完成。

1.1 初始條件

（1）冷熱端物流管線均從換熱器冷箱頂部接入接出，設(shè)有剛性“門”型托架支撐管道，管系三維模型見圖1。

選取返流污氮管線GWN-0102 進(jìn)行分析，4 根DN300 的污氮支管自換熱器冷箱頂部各接口接出，匯總為一路DN500 的主管去往水冷塔，管道參數(shù)見表1。

表1 污氮管線設(shè)計(jì)參數(shù)

（2）工況參數(shù)

運(yùn)行工況：OPE1，運(yùn)行溫度20 ℃，壓力15 kPa。

極端工況：OPE2，極端溫度-20 ℃，壓力15 kPa。

（3）管系計(jì)算模型

確定管系支架設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)跨距可以足夠承受相應(yīng)管系包括閥門等設(shè)備集中荷載在內(nèi)的重力荷載，且管線平面轉(zhuǎn)彎改變方向時(shí)支架的設(shè)置力求偏心力矩最小。

根據(jù)設(shè)備管口安全運(yùn)行允許加載的初始位移、力和力矩等條件，校核不同工況條件下選擇的支架形式、布置方式的合理性。

應(yīng)力分析和計(jì)算中考慮管系冷態(tài)、熱態(tài)之間膨脹荷載下允許的膨脹應(yīng)力范圍和位移（自限性）效應(yīng)。［1］

管系的溫差冷縮變形位移按式（1）計(jì)算確定［2］。

式中：Ls——兩固定點(diǎn)之間的直線長(zhǎng)度，m；

t1——管道的計(jì)算溫度，°C；

t2——管道安裝時(shí)的環(huán)境溫度，°C；

α——管材的線性膨脹系數(shù)，mm/(m· °C)。

1.2 建立管系約束模型

在CAESAR II 軟件中建立返流污氮管系模型，如圖2所示。

圖2 返流污氮管線在CAESAR II中的模型

（1）節(jié)點(diǎn)1700、2200、2700、3200 為冷箱內(nèi)主換熱器接點(diǎn)，應(yīng)力分析時(shí)按照設(shè)備運(yùn)行工況加載初始位移、力和力矩。

（2）節(jié)點(diǎn)1500、2000、2500、3000 為換熱器冷箱內(nèi)導(dǎo)向支架，約束類型為GUIDE。

（3）節(jié)點(diǎn)200、700、850 為冷箱頂部“門”型支架剛性支撐點(diǎn)，約束類型為+Y。

（4）節(jié)點(diǎn)200、700、850 為冷箱頂部彈簧支架柔性支撐點(diǎn)，約束類型為+Y。

（5）節(jié)點(diǎn)1200為管道固定點(diǎn)，約束類型為ANC。

安裝溫度按20 ℃考慮。

2 應(yīng)力分析與計(jì)算

運(yùn)行工況和極端工況的應(yīng)力分析遵循標(biāo)準(zhǔn)《工藝管道（中文版）》（ASME B31.3-2014）。針對(duì)不同工況條件對(duì)節(jié)點(diǎn)200、700、850分別采用剛性“門”型支架與采用彈簧支架兩種支撐形式進(jìn)行計(jì)算比較，得出比對(duì)結(jié)果

2.1 常規(guī)剛性支撐運(yùn)行工況分析與計(jì)算

正常運(yùn)行時(shí)，返流污氮管道工作溫度與安裝工況溫度接近，管道溫差變形量小，此時(shí)因管系及閥門重量的一次荷載所致的一次應(yīng)力占主導(dǎo)作用，管系常規(guī)剛性支撐條件下主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析如表2所列。

表2 列出編號(hào)為200、700、850 三個(gè)節(jié)點(diǎn)為剛性支撐情況下的FY 值顯示：換熱器冷箱頂部的常規(guī)門型剛性支架承擔(dān)了管道及閥門的重量，此時(shí)管系施加于冷箱頂部的垂直荷載累計(jì)24 311 N。

表2 運(yùn)行工況下污氮管系一次應(yīng)力分析結(jié)果

工程設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)設(shè)備商冷箱頂部結(jié)構(gòu)情況結(jié)合FY 的荷載值確定工廠設(shè)計(jì)是否對(duì)現(xiàn)有冷箱頂部結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載加強(qiáng)處理，冷箱本體主要的承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可根據(jù)此分析結(jié)果優(yōu)化。

2.2 常規(guī)剛性支撐極端工況分析與計(jì)算

極端工況下，返流污氮溫度較運(yùn)行工況下降了40 ℃，溫變引起管道收縮變形，此時(shí)二次應(yīng)力起主導(dǎo)作用，管系常規(guī)剛性支撐條件下管道主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析如表3所列。

表3 極端工況下污氮管系的二次應(yīng)力分析結(jié)果

二次應(yīng)力分析結(jié)果表明，因管系的溫縮變形產(chǎn)生的收縮力傳換熱器各支管端的設(shè)備接口和冷箱外的主干管道的固定點(diǎn)，換熱器冷箱頂部常規(guī)門型剛性支架與主干管之間剛性節(jié)點(diǎn)，無法吸收四根DN300 支管及節(jié)點(diǎn)850 至1200 間主管立管溫變引起的冷縮變形，導(dǎo)致?lián)Q熱器冷箱頂部節(jié)點(diǎn)200、700、850剛性支撐的垂直附加荷載急劇上升至89 574 N，是正常工況下一次應(yīng)力時(shí)的3.7 倍，主干固定點(diǎn)1200 節(jié)點(diǎn)處的受力、彎矩更是大幅上升，導(dǎo)致剛性支架和固定支撐過載發(fā)生變形破壞影響設(shè)備安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

主換熱器各支管接口1700、2200、2700、3200 節(jié)點(diǎn)處二次荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常運(yùn)行允許加載的初始位移、力和力矩，設(shè)備接口存在承受二次荷載過大應(yīng)力偏高被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

在只用剛性管架支撐的管系中，一旦管道發(fā)生溫變膨脹或冷縮，很可能因?yàn)闇刈兊淖冃螌?dǎo)致管道可能在某些管架處脫空而在另一些管架處鎖住硬性剛接觸使管架過載。

2.3 彈簧支架的配置參數(shù)確定

在管系的設(shè)計(jì)中，為了降低管系膨脹應(yīng)力縮導(dǎo)致可能的安全隱患，通常會(huì)采取減小管道壁厚降低全管系剛度、調(diào)整管道走向獲得柔性自然補(bǔ)償或調(diào)整剛性支架固定約束位置解決膨脹或冷縮位移吸收等措施?？辗盅b置主換熱器冷箱外部的進(jìn)出物流管道數(shù)量多，且排管受局部空間緊湊條件限制，加上承壓管道對(duì)管道壁厚要求也都基本確定，為解決極端工況下局部管道支撐處二次荷載過大的問題，可采取調(diào)整約束設(shè)置類型，嘗試通過調(diào)整使管系去除部分約束以降低冷縮應(yīng)力來解決此矛盾。

擬將冷箱頂部的常規(guī)設(shè)置的“門”型剛性管道支撐替換為彈簧支架，通過彈簧的溫變位移來支撐給定荷載的約束，允許管線有少于剛性限位的位移，亦即：利用彈簧變形吸收冷縮工況下的管道溫變收縮量降低剛性硬接產(chǎn)生的二次荷載。

彈簧支架的選型設(shè)計(jì)遵循以下兩點(diǎn)。

（1）彈簧容許管道從熱態(tài)轉(zhuǎn)變至冷態(tài)的總位移；

（2）當(dāng)彈簧的荷載從熱態(tài)變化到冷態(tài)時(shí)，不會(huì)在管系中造成額外的膨脹應(yīng)力。［1］

設(shè)置彈簧支架節(jié)點(diǎn)為200、700、850，彈簧支架的配置參數(shù)見圖3。

圖3 返流污氮管線彈簧支架配置

2.4 常規(guī)彈簧支架運(yùn)行工況分析與計(jì)算

正常運(yùn)行時(shí)，管系常規(guī)彈簧支撐條件下主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析如表4所列。

表4 運(yùn)行工況下的二次應(yīng)力分析結(jié)果

二次應(yīng)力分析結(jié)果表明，正常運(yùn)行工況條件下，剛性支撐改為彈簧支架后，冷箱板翅式換熱器頂部支架的垂直荷載變化不明顯。

2.5 常規(guī)彈簧支架極端工況分析與計(jì)算

極端工況下，管系設(shè)置彈簧支撐條件下管道主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析如表5所列。

表5 極端工況下的二次應(yīng)力分析結(jié)果

二次應(yīng)力分析結(jié)果表明，在極端工況下，板翅式換熱器頂部設(shè)置彈簧支架后，各節(jié)點(diǎn)承受二次荷載較剛性門型支架設(shè)置條件下的承載有很大改善，污氮管系對(duì)換熱器接口的附加荷載均可滿足設(shè)備管嘴的要求。

3 結(jié)論

不同工況下管系加載在板式冷箱頂部的垂直荷載詳見表6。

表6 不同工況下返流污氮管系對(duì)板式冷箱頂部的附加荷載

根據(jù)控制規(guī)范對(duì)管系設(shè)計(jì)的常規(guī)要求，對(duì)實(shí)際空分工程換熱器冷箱外返流污氮管道建立理論計(jì)算模型和約束條件模型，針對(duì)不同工況，采用應(yīng)力分析軟件CAESAR II對(duì)不同支撐約束負(fù)載可能出現(xiàn)的狀態(tài)進(jìn)行分析，提出了適合空分工程實(shí)際的冷箱外返流污氮管道設(shè)置彈簧支架的理論依據(jù)。

（1）正常運(yùn)行時(shí)，管系以一次應(yīng)力為主，溫差引起的形變忽略不計(jì)，設(shè)置剛性支架或彈簧支架對(duì)板式冷箱頂部的附加荷載差別不大。

（2）在極端工況下，剛性支架無法吸收管道收縮變形，導(dǎo)致板式冷箱頂部荷載急劇上升，應(yīng)力傳導(dǎo)到冷箱鋼結(jié)構(gòu)和設(shè)備管口，威脅空分運(yùn)行安全。

（3）改設(shè)彈簧支架后，極端工況下可有效吸收管道冷縮的變形量，降低管口附加應(yīng)力，保護(hù)設(shè)備運(yùn)行安全。

空分設(shè)備中換熱器冷箱工況較多、溫變較大，應(yīng)根據(jù)各種工況合理布置管道及支吊架，對(duì)于頂出式換熱器冷箱，由于進(jìn)出口集中，管線復(fù)雜，配管空間有限，在無法有效采取自然補(bǔ)償吸收管道變形量時(shí)，可采用CAESAR II軟件設(shè)計(jì)選用彈簧支架，保證換熱器設(shè)備的運(yùn)行安全。