合成氨高溫高壓管道設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

王宏葛，李雪剛，王玉先

（河北正元化工工程設(shè)計(jì)有限公司，河北石家莊050061）

隨著合成氨工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，裝置能力不斷提高，從8～10萬(wàn)噸/年發(fā)展到單套裝置能力達(dá)到18～24萬(wàn)噸/年，管徑逐漸增大，對(duì)高溫高壓管道配管設(shè)計(jì)的要求也不斷提高，因而需要進(jìn)行管道應(yīng)力分析以提高管系的安全性。尤其是氨合成塔、廢熱回收器的進(jìn)出口管道大多處于高溫高壓狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)重視管材選擇與應(yīng)力分析。

本文通過(guò)石家莊正元化肥新上年產(chǎn)24萬(wàn)噸合成氨裝置1#廢熱回收器出口高溫高壓管道設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析的實(shí)例介紹分析的方法和步驟，提出一些設(shè)計(jì)與選材的體會(huì)，供同行參考。

1 高溫高壓管道設(shè)計(jì)

1.1 合理選材

根據(jù)設(shè)計(jì)溫度，考慮管材的抗氫腐蝕性能，通常使用溫度在250～400℃范圍內(nèi)，管材可以選用10MoWVNb、12SiMoVNb等；使用溫度在 180～250℃范圍內(nèi)，管材可以選用15CrMo；大直徑管道為保守起見(jiàn)也可以選用 10MoWVNb、12SiMoVNb[1]；使用溫度在 0～180℃范圍內(nèi)，管材可以選用20號(hào)鋼。

1.2 合理配管

高壓管道配管除了與一般管道要求一樣，應(yīng)符合工藝要求，除了做到安全、經(jīng)濟(jì)、便于操作和維修外，在滿足熱應(yīng)力的要求下，管道盡量短，盡量減少?gòu)濐^個(gè)數(shù)。一般根據(jù)設(shè)備布置，采用管系重心偏移法設(shè)計(jì)管道走向，空間各方向分布管道（如圖1的管道分布走向）。根據(jù)管道配管設(shè)置管道支吊架，再利用分析軟件對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析、設(shè)備管口受力分析。根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，調(diào)整管道走向以及支吊架位置或型式，從而提高高溫高壓管系的安全性。

2 管道應(yīng)力分析

2.1 管道應(yīng)力分析的內(nèi)容

2.1.1 管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動(dòng)力分析

我公司應(yīng)用的是美國(guó)鷹圖公司的CAESARII管道應(yīng)力分析軟件。

靜力分析包括：（1）計(jì)算壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力，防止管道塑性變形破壞；（2）計(jì)算管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力，防止管道疲勞破壞；（3）計(jì)算管道對(duì)設(shè)備管口的作用力，保證設(shè)備正常運(yùn)行；（4）計(jì)算管道支吊架的受力，為支吊架設(shè)計(jì)提供依據(jù)；（5）計(jì)算管道上法蘭的受力，防止法蘭泄漏等。

動(dòng)力分析包括：（1）計(jì)算管道自振頻率，防止管道系統(tǒng)共振；（2）管道強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析，控制管道振動(dòng)及應(yīng)力；（3）往復(fù)壓縮機(jī)（泵）氣（液）柱頻率分析，防止氣柱共振；（4）往復(fù)壓縮機(jī)（泵）壓力脈動(dòng)分析，控制壓力脈動(dòng)值；（5）地震分析；（6）安全閥泄放分析等。

2.1.2 管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力[2]

一次應(yīng)力：管道由于壓力、重力與其它外力荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，它是平衡外力荷載所需的應(yīng)力，隨外力荷載的增加而增加。一次應(yīng)力的特點(diǎn)是沒(méi)有自限性，即當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展達(dá)到極限狀態(tài)，即使外力荷載不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動(dòng)，直至破壞。因此，管道設(shè)計(jì)應(yīng)首先滿足一次應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)留有一定裕量，以保證管道的安全性。

二次應(yīng)力：管道由于熱脹冷縮、端點(diǎn)位移等位移荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形要求所必須的應(yīng)力。二次應(yīng)力的特點(diǎn)是具有自限性，即局部屈服或小量的變形就可以使位移約束條件或自身變形要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。因此在管道設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)改變管道走向增大管道柔性，減小管道二次應(yīng)力。

2.2 管道應(yīng)力的校核條件[3]

2.2.1 持續(xù)載荷作用下一次應(yīng)力的校核條件

GB50316規(guī)定：管道中由于壓力、重力和其它持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和σL不應(yīng)超過(guò)材料在預(yù)計(jì)最高溫度下的許用應(yīng)力[σ]h。

2.2.2 管道二次應(yīng)力的校核條件

GB50316規(guī)定：計(jì)算的最大位移應(yīng)力范圍σE不應(yīng)超過(guò)按下式確定的需用的位移應(yīng)力范圍[σ]A：

若[σ]h大于σL，其差值可以加到上式中的0.25[σ]h項(xiàng)上，則許用位移應(yīng)力范圍為：

式中：[σ]c—在分析中的位移循環(huán)內(nèi)，金屬材料在冷態(tài)（預(yù)計(jì)最低溫度）下的許用應(yīng)力（MPa）；[σ]h—在分析中的位移循環(huán)內(nèi)，金屬材料在熱態(tài)（預(yù)計(jì)最高溫度）下的許用應(yīng)力（MPa）；σL—管道中由于壓力、重力和其它持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和（MPa）；[σ]A—許用的位移應(yīng)力范圍（MPa）；f—管道位移應(yīng)力范圍減小系數(shù)。

CAESARII管道應(yīng)力分析軟件給出了多種設(shè)計(jì)規(guī)范，用戶可根據(jù)情況自己選取，一般石油化工類(lèi)管道選用ASMEB31.3。

3 高溫高壓管道應(yīng)力分析

石家莊正元化肥2011年上的年產(chǎn)24萬(wàn)噸合成氨裝置工藝流程為采用溴化鋰制冷技術(shù)的“雙廢鍋雙水冷雙冷交”的節(jié)能流程[4]，裝置設(shè)計(jì)壓力22MPa。在設(shè)備布置上采用氨合成塔與1#廢熱回收器直連的布置。1#廢熱回收器底部支撐采用彈簧支座，消除了傳統(tǒng)布置中合成塔到廢鍋的約300℃～380℃的高溫高壓管道，從而減輕配管壓力，但從1#廢熱回收器到2#廢熱回收器的管道設(shè)計(jì)溫度為260℃，仍需要進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算。

1#廢熱回收器到2#廢熱回收器的管道根據(jù)設(shè)備布置圖，設(shè)計(jì)配管時(shí)經(jīng)過(guò)多種配管方案比較，選取圖1的配管方案為最佳方案。

3.1 管道基本參數(shù)

壓力P=22MPa，溫度T=260℃，管道規(guī)格Φ426×48，材料選用10MoWVNb；保溫材料：巖棉，保溫厚度：150mm。

3.2 建模和描述邊界條件

根據(jù)輸入管道參數(shù)建立管道模型，在建模時(shí)將法蘭做了簡(jiǎn)化處理，當(dāng)作為普通直管。

模型建好后需要準(zhǔn)確輸入邊界條件。一般邊界條件包括：約束、管端初始熱位移及設(shè)備管嘴等。

（1）管端初始熱位移。本文中管道是從合成1#廢熱回收器到2#廢熱回收器的熱管，在處理管道端部初始位移時(shí)考慮到氨合成塔底部出口與1#廢熱回收器入口直連，1#廢熱回收器支座為彈簧支座，考慮在設(shè)備運(yùn)行后設(shè)備殼程充水及合成塔出口與1#廢熱回收器入口直連會(huì)有向下位移，在1#廢熱回收器合成氣出口端輸入邊界條件：Y方向-11mm，其它方向?yàn)?mm；另一端2#廢熱回收器設(shè)備管口設(shè)為固定端。

（2）設(shè)置支吊架。根據(jù)管道走向和場(chǎng)地情況，可在30點(diǎn)和60點(diǎn)設(shè)置支撐或彈簧支吊架。

3.3 分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)置支撐或彈簧支撐進(jìn)行兩種工況模擬，分別是：（1）工況 1，在 60點(diǎn)設(shè)置向上的剛性滑動(dòng)支架；（2）在工況30點(diǎn)和60點(diǎn)設(shè)置彈簧支吊架。

計(jì)算后查看管系最大的應(yīng)力點(diǎn)（包括一次應(yīng)力和二次應(yīng)力）、管道對(duì)設(shè)備管口的作用力和力矩大小、彈簧支吊架選型等結(jié)果。

（1）管道最大應(yīng)力值。管道所受一次應(yīng)力、二次應(yīng)力最大值見(jiàn)表1。

表1 一次應(yīng)力、二次應(yīng)力最大值

從表1可以看出，工況1、工況2的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力最大值都沒(méi)有超過(guò)許用應(yīng)力值。

（2）設(shè)備管口受力。操作狀態(tài)下設(shè)備管口受力和力矩見(jiàn)表2。

將以上設(shè)備管口受力及力矩提給設(shè)備專(zhuān)業(yè)校核設(shè)備接口處應(yīng)力，結(jié)果都是合格的，但從表2中數(shù)據(jù)可看出，工況2的受力比工況1小很多。在正常操作時(shí)，工況1在60點(diǎn)設(shè)置的滑動(dòng)支撐已經(jīng)脫空，管道的重量實(shí)際已經(jīng)都加在設(shè)備管口上。綜合考慮，設(shè)備管口受力小可選取加彈簧支吊的工況2。

（3）彈簧支吊架選型。根據(jù)管道應(yīng)力分析的結(jié)果，在30點(diǎn)和60點(diǎn)設(shè)置彈簧支吊架，CAESARII管道應(yīng)力分析軟件在分析后根據(jù)所選的彈簧庫(kù)，為管道選出了合適的彈簧型號(hào)。設(shè)計(jì)人員只需就操作荷載、安裝荷載、位移將彈簧型號(hào)與彈簧標(biāo)準(zhǔn)核對(duì)后，根據(jù)管道位置選擇是用吊架形式還是支架形式即可。本文管道彈簧支吊架CAESARII軟件選出的彈簧表見(jiàn)表3。

表2 操作狀態(tài)下設(shè)備管口受力和力矩

表3 彈簧支吊架表

根據(jù)表3提供的工作荷載及豎向位移，查《變力彈簧支吊架》HG/T20644-1998，根據(jù)布置位置可設(shè)在管道下部支撐，選擇F型彈簧支吊架，節(jié)點(diǎn)30彈簧型號(hào)為VS30FⅢ17，節(jié)點(diǎn)60彈簧型號(hào)為VS30FⅢ18。

4 結(jié)論

高壓管道在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)操作條件選用合適的管材很重要，經(jīng)過(guò)幾十年使用10MoWVNb、12SiMoVNb、15CrMo、20號(hào)鋼等管道在相應(yīng)的溫度范圍內(nèi)是安全的。高溫高壓配管一方面根據(jù)經(jīng)驗(yàn)合理地設(shè)計(jì)管道空間走向，一方面借助應(yīng)力分析軟件分析管道應(yīng)力、設(shè)備管口受力是否安全。石家莊正元化肥年產(chǎn)24萬(wàn)噸合成氨裝置從2011年運(yùn)行至今，實(shí)踐證明1#廢熱回收器到2#廢熱回收器的管道設(shè)計(jì)計(jì)算及配管是合理安全的。

[1]周伏明，王強(qiáng).再論合成氨裝置高壓管道材料選擇[J].小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù)，2006，27（1）：11-12.

[2]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003：50.

[3]GB 50316-2000，工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范（2008年版）[S].

[4]王宏葛，黑亮，李瑞卿，等.20萬(wàn)t/a氨項(xiàng)目節(jié)能流程方案選擇[J].煤化工，2012（1）：20-23.□