空分裝置空壓機(jī)出口管布置要點(diǎn)及應(yīng)力分析

楊唯，高小玲

（杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江杭州310014）

化工設(shè)計(jì)

空分裝置空壓機(jī)出口管布置要點(diǎn)及應(yīng)力分析

楊唯，高小玲

（杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江杭州310014）

針對(duì)空分裝置空壓機(jī)出口管道特點(diǎn)，采用應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ?qū)υ摴苓M(jìn)行建模分析，校核空壓機(jī)和空冷塔管口荷載，找出管道設(shè)計(jì)不合理時(shí)管口推力或力矩過大的原因，提出設(shè)置限位架和選用大補(bǔ)償量波紋管兩種思路，以降低管口荷載。

壓機(jī)、CAESARⅡ；應(yīng)力分析；管口荷載校核；波紋管

1 概述

空分裝置中，原料空氣經(jīng)自潔式空氣過濾器除去灰塵和機(jī)械雜質(zhì)，再經(jīng)空壓機(jī)壓縮，然后送入空氣冷卻塔進(jìn)行預(yù)冷?？諝獗粔嚎s后溫度升高，出空壓機(jī)管道操作溫度一般在95℃～105℃，操作壓力0.45～0.54 MPa（G）。隨著空分裝置規(guī)模的不斷增大，空壓機(jī)排氣管的管徑也越來越大，往往都能達(dá)到DN 1000以上。若該管道布置不合理，熱位移得不到合理的補(bǔ)償，就會(huì)對(duì)空壓機(jī)或空氣冷卻塔接管管口造成較大的推力或力矩，對(duì)設(shè)備造成損壞。同時(shí)空壓機(jī)排氣管作為連接壓縮機(jī)與壓力容器（空冷塔）的重要管道，根據(jù)《化工裝置管道機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)定》HG/T 20645-1998中的規(guī)定，應(yīng)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。本文根據(jù)工程實(shí)例，提出以設(shè)置限位架分割熱位移和采用大補(bǔ)償量波紋管來吸收熱位移兩種方法來減小管口推力及力矩，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

2 管道概況

某空分裝置采用3MSGXL型空壓機(jī)，壓縮空氣出口向上，公稱直徑DN 600，帶短拉桿波紋管，參數(shù)見表1。最初的管道應(yīng)力計(jì)算軸測(cè)圖如圖1所示。節(jié)點(diǎn)10為空壓機(jī)出口，運(yùn)行工況熱位移DX：0.5 mm、DY：1.7 mm、DZ：0.5 mmm，允許荷載見表3。節(jié)點(diǎn)180為水冷塔氣體入口，管口無初始熱位移，要求承受合力不大于25 kN。節(jié)點(diǎn)10到節(jié)點(diǎn)50為短拉桿波紋管，節(jié)點(diǎn)130后變徑為DN 1100。節(jié)點(diǎn)160至節(jié)點(diǎn)170為工藝要求的4 m高防液體倒吸直管段。節(jié)點(diǎn)100為孔板流量計(jì)。節(jié)點(diǎn)90、140、170為滑動(dòng)支架，接觸面以鋼對(duì)鋼考慮，取摩察系數(shù)為0.3。管道設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表1 短拉桿波紋管數(shù)據(jù)表

表2 管道設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 空壓機(jī)至空冷塔管道應(yīng)力計(jì)算軸測(cè)圖

3 管道應(yīng)力分析

3.1 初始分析

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，用CAESARⅡ?qū)Υ斯艿肋M(jìn)行建模分析，得出結(jié)果：節(jié)點(diǎn)100處一次應(yīng)力達(dá)到最大，為許用應(yīng)力的31.6%，節(jié)點(diǎn)150處二次應(yīng)力達(dá)到最大，僅為許用應(yīng)力的4.1%，管道應(yīng)力情況良好?？梢钥闯鲆?yàn)榇斯軠囟葔毫Χ疾皇呛芨撸蠖鄶?shù)情況下管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力都比較低，往往不會(huì)超出許用值。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，此管應(yīng)力分析的重點(diǎn)應(yīng)該在管口許用荷載校核?？諌簷C(jī)管口荷載校核見表3?？梢奆Z推力較大，且力矩MX超出管口允許力矩。180點(diǎn)合力23 kN，滿足空冷塔要求的不大于25 kN。查看位移可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)50處Z向位移達(dá)到最大為15.197 mm（見表4）。節(jié)點(diǎn)50處位移減去節(jié)點(diǎn)10處位移，可得出波紋管橫向變形量為15.2 mm，超出波紋管設(shè)計(jì)橫向位移12 mm。超出波紋管設(shè)計(jì)補(bǔ)償量的熱位移作用于波紋管，其結(jié)果就將會(huì)造成波紋管超負(fù)荷變形，降低波紋管使用壽命。

表3 空壓機(jī)管口荷載校核表

表4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移

鑒于以上的問題均由管道熱膨脹引起，因此主要對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行分析。結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該管道Z向直管段較長(zhǎng)，在運(yùn)行工況與安裝工況溫差的作用下產(chǎn)生較大的熱膨脹。節(jié)點(diǎn)10到節(jié)點(diǎn)50處為波紋補(bǔ)償器，此處柔性最大，因此熱位移集中在此處體現(xiàn)?？諌簷C(jī)管口Z向推力較大和力矩MX過大的原因也同樣是因?yàn)閆向熱位移得不到補(bǔ)償?？諌簷C(jī)排氣管z向熱伸長(zhǎng)量可按式（1-1）計(jì)算。

ΔL：管道熱伸長(zhǎng)量（cm）；L：計(jì)算管長(zhǎng)（m）；t2：管道設(shè)計(jì)溫度（℃）；t1：管道安裝溫度（℃），此例取20℃；α：管道線性膨脹系數(shù)[cm/(m·℃)]，此例取11.16×10-4cm/(m·℃)。

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得ΔL=22.3 mm。為吸收Z向熱位移，通常采用的方法是增加節(jié)點(diǎn)150與節(jié)點(diǎn)160間的直管段長(zhǎng)度。于是將節(jié)點(diǎn)150到節(jié)點(diǎn)160的長(zhǎng)度改為10米，再次用CAESARⅡ模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)出口處推力和力矩有所降低，但并不顯著，50點(diǎn)處的熱位移減小也并不明顯?？梢姶朔椒m然有一定的作用，但不能顯著降低管口荷載和波紋管的負(fù)荷。這是因?yàn)榭辗止こ讨袣怏w管道管徑較大，管道剛度過大造成的。對(duì)于管徑較大的管道，管道自然補(bǔ)償能力明顯低于管徑較小的管道，因此在空分裝置中，要想利用自然補(bǔ)償來增加管道柔性往往較為困難。

3.2 設(shè)置限位架分割熱位移

鑒于此管道特點(diǎn)，在不改變管道布置的情況下，筆者考慮在90點(diǎn)設(shè)置-Z向的限位支架來分割熱位移。這樣管道Z向熱位移將被分割成兩段，節(jié)點(diǎn)90之前的熱位移由波紋管吸收，節(jié)點(diǎn)90之后的熱位移由因設(shè)備布置造成的X向直管段（節(jié)點(diǎn)150到節(jié)點(diǎn)160）和工藝上要求防倒吸直管段（節(jié)點(diǎn)160到節(jié)點(diǎn)170）來吸收。需要注意的是，此方法可以通過調(diào)節(jié)限位架的間隙來控制90點(diǎn)前后兩段熱脹量的分布，使得限位架兩端管道都有足夠的柔性，這樣才能使空壓機(jī)和空冷塔管口荷載都能滿足要求。在CAESARⅡ多次改變限位架間隙值進(jìn)行試算后得出，點(diǎn)90處-Z向限位支架間隙取6 mm時(shí)，空壓機(jī)管口荷載校核結(jié)果見表5。

表5 設(shè)置限位架后空壓機(jī)管口荷載校核表

由表5，可見空壓機(jī)管口Z向推力和力矩MX都明顯減小并達(dá)到空壓機(jī)允許荷載范圍內(nèi)。此時(shí)，50點(diǎn)Z向位移8.786 mm，X向位移0.311 mm，波紋管計(jì)算橫向位移小于設(shè)計(jì)值。管口及各支撐點(diǎn)荷載見表6。

由表6可見，空冷塔入口合力31.3 kN，超出空冷塔管口荷載要求的25 kN。顯然空冷塔管口推力過大的主要原因是FZ過大。Z向空冷塔所受推力與作用于空壓機(jī)出口（10點(diǎn)）、限位架（90點(diǎn)），和滑動(dòng)支架的摩擦力之和平衡。可以采用帶聚四氟乙烯板的管座以減小摩擦力。改變摩察系數(shù)為0.1后再次運(yùn)算，得180點(diǎn)合力2.3 kN，滿足空冷塔許用荷載要求。

3.3 采用大補(bǔ)償量補(bǔ)償器

除設(shè)置限位架外，還可以采用具有較大補(bǔ)償能力的補(bǔ)償器來吸收Z向的位移，如復(fù)式鉸鏈?zhǔn)讲y管和長(zhǎng)拉桿波紋管。例如以采用參數(shù)如表7的復(fù)式鉸鏈?zhǔn)讲y管來替換原空壓機(jī)自帶的短拉桿波紋管。用CAESARⅡ再次建立管道模型如圖2所示。

表7 復(fù)式鉸鏈?zhǔn)讲y管數(shù)據(jù)表

圖2 帶復(fù)式鉸鏈?zhǔn)讲y管的管道應(yīng)力計(jì)算模型圖

由表7可見，復(fù)式鉸鏈?zhǔn)讲y管橫向補(bǔ)償量達(dá)25 mm，管道Z向熱脹量為22.3 mm，可被波紋管直接吸收。使用復(fù)式鉸鏈?zhǔn)讲y管時(shí)需要注意的是，它的軸向幾乎沒有補(bǔ)償能力，因此需將90點(diǎn)的滑動(dòng)支架改為彈簧支架，否則會(huì)造成90點(diǎn)處管架將會(huì)脫空，重力荷載則直接作用在空壓機(jī)管口。由于管道直徑較大，為保證管道支撐的穩(wěn)定性，此處管道支架下選擇兩個(gè)彈簧。為使空壓機(jī)出口荷載盡量小，可以在選彈簧時(shí)直接在Y向free節(jié)點(diǎn)10。

由CAESARⅡ計(jì)算得，50點(diǎn)Z向位移17.86 mm，滿足波紋管設(shè)計(jì)補(bǔ)償量?？諌簷C(jī)管口荷載校核見表8，空冷塔管口（180點(diǎn)）合力1.7 kN，兩處均滿足設(shè)備許用荷載。

表8 采用復(fù)式鉸鏈?zhǔn)讲y管后空壓機(jī)管口荷載校核表

4 結(jié)束語

（1）隨著空分裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，空壓機(jī)排氣管道直徑也越來越大。對(duì)于大直徑鋼管，簡(jiǎn)單的自然補(bǔ)償難以達(dá)到令人滿意的效果。工程中可根據(jù)具體情況采用設(shè)置限位架和選用補(bǔ)償量更大的補(bǔ)償器等方法來使運(yùn)行態(tài)的管口荷載低于設(shè)備允許的荷載。

（2）實(shí)際工程中，設(shè)置限位支架時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備、管道布置情況調(diào)整限位架的位置和間隙，合理分割熱膨脹量，使空壓機(jī)和空冷塔管口荷載均滿足設(shè)備要求。

（3）選用大補(bǔ)償量的補(bǔ)償器可以直接吸收管道熱膨脹，顯著降低管口荷載，但應(yīng)根據(jù)不同補(bǔ)償器的特點(diǎn)合理設(shè)置管道支架，以免適得其反。

[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，2009.

[2]HG/T20645-1998.化工裝置管道機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)定[S].1999.

[3]施振球.動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2006.

[4]劉新斌，羅仕發(fā).波紋管補(bǔ)償器的配管設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].南方金屬，2002（3）：21-23.

浙江力普粉碎設(shè)備獲評(píng)名牌產(chǎn)品

中國(guó)粉體技術(shù)的領(lǐng)航者——浙江力普粉碎設(shè)備有限公司新年傳喜訊。前不久，2014年紹興名牌產(chǎn)品正式公告，經(jīng)過資料評(píng)價(jià)、專業(yè)評(píng)價(jià)、滿意度調(diào)查、綜合評(píng)價(jià)、評(píng)審表決和媒體公示，紹興名牌戰(zhàn)略推進(jìn)委員會(huì)最終確定159家企業(yè)申報(bào)的170個(gè)產(chǎn)品（其中復(fù)評(píng)91個(gè)）為2014年紹興名牌產(chǎn)品，并頒發(fā)紹興名牌產(chǎn)品證書，證書有效期為三年。浙江力普的“力普高科”牌粉碎設(shè)備榜上有名，躋身成為我國(guó)粉碎設(shè)備行業(yè)屈指可數(shù)的名牌產(chǎn)品之一。

據(jù)悉，去年紹興市以爭(zhēng)創(chuàng)全國(guó)質(zhì)量強(qiáng)市示范城市為目標(biāo)，大力實(shí)施名牌戰(zhàn)略，依據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向和轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求，突出科技管理創(chuàng)新和綠色環(huán)保節(jié)能，重點(diǎn)培育高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和重點(diǎn)服務(wù)業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)牌，為紹興“質(zhì)量強(qiáng)市”建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)地基礎(chǔ)。在2014年新認(rèn)定的紹興工業(yè)名牌產(chǎn)品中，高技術(shù)、高附加值、擁有自主創(chuàng)新技術(shù)（發(fā)明專利）的產(chǎn)品和裝備制造業(yè)產(chǎn)品占80.6%；新認(rèn)定的服務(wù)名牌產(chǎn)品均來自服務(wù)業(yè)重點(diǎn)企業(yè)或生產(chǎn)性服務(wù)高新技術(shù)企業(yè)。(丁文供稿)

浙江晶茂科技擬建設(shè)年產(chǎn)太陽能背板380萬m2生產(chǎn)線項(xiàng)目

紹興市環(huán)保局于2014年12月23日受理了浙江晶茂科技有限公司提交的《浙江晶茂科技有限公司新建年產(chǎn)太陽能背板380萬m2生產(chǎn)線項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告表》，并進(jìn)行審批前公示。該項(xiàng)目總投資6000萬元，總建筑面積1000 m2。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)銷售收入8000萬元，利稅1600萬元。項(xiàng)目購(gòu)置臺(tái)灣產(chǎn)干式復(fù)合機(jī)1臺(tái)、裁邊機(jī)1臺(tái)、背板檢查機(jī)1臺(tái)，德國(guó)產(chǎn)測(cè)試器1臺(tái)等，形成年產(chǎn)380萬m2太陽能背板的生產(chǎn)能力。

浙江晶茂科技有限公司是一家專業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)高檔太陽能電池用背板材料（KPK，KPE）的科技型企業(yè)。目前公司擁有十萬級(jí)防塵（局部一萬級(jí)）恒溫恒濕廠房3500 m2，全自動(dòng)臺(tái)灣進(jìn)口流水線2條，配備800萬進(jìn)口檢測(cè)設(shè)備和國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室350 m2，年生產(chǎn)力為760萬m2。

（來源：http://www.ccin.com.cn/ccin/news/2015/01/15/311934.shtml）

國(guó)網(wǎng)提速充電設(shè)施建設(shè)電動(dòng)汽車花費(fèi)為燃油車一半

1月14日，電動(dòng)汽車“京滬行”圓滿結(jié)束，京滬高速全線快速充電系統(tǒng)即將開通。京滬高速全程1262 km，速充電系統(tǒng)平均單向每50 km設(shè)一座快充站，電動(dòng)汽車最快可在30 min充滿。充電站電價(jià)每度0.65～0.8元，同等里程電費(fèi)支出僅為燃油車的一半。按照平均150～200 km充電一次計(jì)算，電動(dòng)汽車只需要充電6到7次，每次充電30度，就能從上海開到北京，全程充電費(fèi)用還不到400元。目前，國(guó)家電網(wǎng)已建成2.4萬個(gè)充電樁，形成京滬、京港澳（北京-咸寧）、青銀（青島-石家莊）“兩縱一橫”網(wǎng)絡(luò)，續(xù)行里程2900 km，規(guī)模為世界之最。充電樁可為所有符合國(guó)標(biāo)的電動(dòng)汽車充電。高速開通電動(dòng)汽車充電，充電站和充電樁建設(shè)過程中需要用到很多設(shè)備，如充電機(jī)、電能監(jiān)控系統(tǒng)、有源濾波裝置、充電樁、變壓器、配電柜、電纜等。

（來源：http://www.wokeji.com/ny/jryw/201501/t20150115_935784.shtml）

東華大學(xué)研發(fā)出新型共聚酯系列關(guān)鍵技術(shù)

東華大學(xué)顧利霞課題組經(jīng)過十余年努力，在化學(xué)纖維改性和多相高分子材料領(lǐng)域獲得一系列原創(chuàng)成果，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型共聚酯、纖維與染整技術(shù)體系。相關(guān)項(xiàng)目日前獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

我國(guó)聚酯纖維產(chǎn)量占世界總量的70%以上，但同質(zhì)同構(gòu)化嚴(yán)重。改進(jìn)聚酯纖維的染色性、舒適性，一直是聚酯纖維功能化的重要方向。為此，顧利霞等基于空間位阻和染色高效協(xié)調(diào)改性，精選帶側(cè)甲基丙二醇為四單、間苯二甲酸乙二醇酯磺酸鈉為三單、Sb（Ⅲ）復(fù)合物為催化劑，通過聚合工藝調(diào)控，抑制了三單的自催化和離子聚集效應(yīng)，發(fā)明了結(jié)構(gòu)均勻、可紡性好、常壓易染的新型共聚酯MCDP。同時(shí)，課題組創(chuàng)建了大容量連續(xù)聚合MCDP及其柔軟易染纖維紡絲關(guān)鍵技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)新型共聚酯MCDP的大容量連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，解決了三單、四單濃度局部漲落、分散不勻工程難題；創(chuàng)建了熔體直紡短纖和切片高速紡長(zhǎng)絲技術(shù)，研發(fā)了細(xì)旦、超細(xì)旦、潛在卷曲、地毯用BCF等系列柔軟易染纖維。

據(jù)了解，該項(xiàng)技術(shù)建立了聚合、紡絲、織造、印染、服裝產(chǎn)業(yè)鏈，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。2013年新增產(chǎn)值超過16億元，創(chuàng)匯900多萬美元。

（來源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/1/311607.shtm）

我國(guó)研制出高純水處理系統(tǒng)

據(jù)1月12日?qǐng)?bào)道，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所為天津航天科工集團(tuán)某研究所研制的高純水系統(tǒng)通過技術(shù)和性能驗(yàn)收并投入使用。目前該類高純水工程絕大多數(shù)由國(guó)外公司承擔(dān)，并且要全部使用進(jìn)口原材料才能達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所研制的高純水系統(tǒng)，運(yùn)用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電去離子技術(shù)和產(chǎn)品，按照國(guó)家最高純水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)建造，經(jīng)專家組檢測(cè)，在每天24 h不停機(jī)的連續(xù)運(yùn)行條件下，產(chǎn)水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到使用要求。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，不僅在操控上更加方便和智能化，配備了觸摸屏操作系統(tǒng)，具備人機(jī)對(duì)話、互聯(lián)網(wǎng)在線運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、短信報(bào)警通知等功能；而且成本更低，噸水設(shè)備造價(jià)成本僅為國(guó)外的五分之一。

軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所科技專家長(zhǎng)期致力于純凈水、高純水技術(shù)與裝備研究，研制的系列凈水裝備和高純水設(shè)備廣泛應(yīng)用于部隊(duì)飲用水保障，以及軍地醫(yī)療、衛(wèi)生、化工、生物、電子等技術(shù)領(lǐng)域，自主研發(fā)的電去離子高純水技術(shù)曾獲天津市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

（來源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/1/311459.shtm）

The Arrangement Points and Stress Analysis for the Outlet Pipes of the Air Compressor in Air Separation Unit

YANG Wei,GAO Xiao-lin
(Hangzhou Hangyang Chemical&Medical Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou，Zhejiang 310014,China)

Based on the characteristics of the air compressor outlet pipes in air separation unit,the pipe model was built by CaesarⅡand the stress calculation of the pipeline was analysed simultaneously.The nozzle limit check for the air compressor outlet and the air cooling tower inlet were carried.The analysis result reveals the reasons of the undesirable nozzle load,which were obviously attributed to the inappropriate arrangement of the pipes.And the application of the limit frames and the expansion joints with large compensation dosage in the air compressor outletpipeline was proposed to decrease the nozzle load.

air compressor；CaesarⅡ；stress analysis；nozzle limit check；expansion joint

1006-4184（2015）1-0049-05

2014-03-27

楊唯(1986-)，男，助理工程師，2005年畢業(yè)于四川大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事管道設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析工作。E-mail：181153973@qq.com。