空分冷箱內(nèi)管道設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

黃 超(開封空分集團(tuán) 設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 開封 475000)

空分冷箱內(nèi)管道設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

黃 超
(開封空分集團(tuán) 設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 開封 475000)

空分冷箱內(nèi)設(shè)備管道在低溫下工作，管道的合理設(shè)計(jì)對(duì)裝置的安全運(yùn)行至關(guān)重要。通過對(duì)管道設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)重點(diǎn)，進(jìn)行分析和制定方法，目的是保證裝置的安全可靠。

空分冷箱；管道設(shè)計(jì)；分析

1 概 述

空分冷箱內(nèi)設(shè)備及管道在低溫下工作，很多因素都有可能造成管道或設(shè)備損壞。一旦泄漏，輕則冷箱結(jié)霜，造成冷量損失，整體裝置能耗升高；重則低溫液體泄漏遇熱會(huì)急劇膨脹，產(chǎn)生砂爆等事故，會(huì)給業(yè)主帶來極大的損失。因此在設(shè)計(jì)中，充分認(rèn)識(shí)到管道設(shè)計(jì)的重要性，避免危險(xiǎn)因素的產(chǎn)生，確保冷箱裝置安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

2 管道設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

2.1 管道布置

管道強(qiáng)度破壞主要有由一次應(yīng)力引起的斷裂破壞和二次應(yīng)力引起的疲勞斷裂破壞。一次應(yīng)力是由于壓力、重力和其他外力載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，本身應(yīng)與外力相平衡，一次應(yīng)力沒有自限性，隨所加載荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或持久強(qiáng)度時(shí)，將使管道發(fā)生塑性破壞或總體變形。管道布置首先應(yīng)考慮一次應(yīng)力滿足材料許用應(yīng)力要求，保證管道的安全。對(duì)一次應(yīng)力的評(píng)定應(yīng)采用彈性理論進(jìn)行，即一次應(yīng)力不超過材料的屈服極限，引入安全系數(shù)，工程上一般限定管道的一次應(yīng)力不得超過設(shè)計(jì)溫度下管道材料的許用應(yīng)力。

二次應(yīng)力是由于變形受到約束所產(chǎn)生的應(yīng)力，本身不直接與外力相平衡，二次應(yīng)力引起的主要是疲勞破壞，只要位移載荷及變形不大，不反復(fù)加載，不會(huì)導(dǎo)致管道的破壞。眾所周知，低溫管道在運(yùn)行時(shí)有一定的收縮，如果不能保證管道具有良好的柔性，變形受到限制，管道兩端就會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，很容易就會(huì)破壞焊縫及設(shè)備管嘴，造成事故的發(fā)生。因此在管道布置上要保證管道具有良好的柔性，在冷箱內(nèi)一般通過增加彎頭，改變管道走向，盡量設(shè)計(jì)為空間管系，這是因?yàn)榭臻g管系的單元變形自由度較大，在相同載荷的作用下，其變形更容易。在安裝時(shí)要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙施工，避免不必要問題的發(fā)生。對(duì)二次應(yīng)力的評(píng)定應(yīng)采用彈塑性理論進(jìn)行，可參照GB 50316或ASME B31.3相關(guān)校核條件，使得材料在二次應(yīng)力的情況下處于安定狀態(tài)。

2.2 振動(dòng)

空分冷箱的管道振動(dòng)工況有很多種，如低溫離心泵，透平膨脹機(jī)，節(jié)流產(chǎn)生兩相流都會(huì)引起管道的振動(dòng)。低溫離心泵一般帶有金屬軟管，透平膨脹機(jī)一般帶有波紋膨脹節(jié)，將轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備與相關(guān)管道及設(shè)備隔開，能有效降低管系振動(dòng)且保證管道的力不會(huì)作用到動(dòng)設(shè)備，從而有效保護(hù)設(shè)備和管系的安全穩(wěn)定。除此之外，冷箱內(nèi)比較典型的振動(dòng)就是由節(jié)流引起的振動(dòng)。兩相流是指管內(nèi)的流體既有氣相又有液相。由于氣相和液相的密度相差很大且流速不同，因此管內(nèi)流體對(duì)管道的作用力也不相同，作用力的不斷變化導(dǎo)致管道的振動(dòng)。

例如：在空分內(nèi)壓縮流程中往往會(huì)設(shè)置高壓液空節(jié)流閥，由于此閥前后壓差較大，閥后有一定的氣化率，會(huì)出現(xiàn)兩相流，管道運(yùn)行中振動(dòng)較大。如果管道設(shè)計(jì)不合理或閥架設(shè)計(jì)安裝不牢靠，很容易引起疲勞破壞，然后對(duì)裝置安全就會(huì)有很大的威脅。為了減小振動(dòng)，首先布置管道時(shí)，在滿足柔性的前提下，應(yīng)盡量減少?gòu)濐^的個(gè)數(shù)，閥后保證一定長(zhǎng)度的直管段；其次管道支架應(yīng)盡量采用支架，在適當(dāng)位置設(shè)置導(dǎo)向架和限位架，要保證閥架設(shè)計(jì)具有足夠的剛度，必要時(shí)增加閥箱，方便檢修。安裝上要保證閥架按圖施工，焊接牢靠。

ASME B31.3明確要求，管道設(shè)計(jì)時(shí)要消除振動(dòng)引起的過度和有害的影響，這個(gè)要求是通過在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意消除振動(dòng)，而不是進(jìn)行詳細(xì)的振動(dòng)分析。由于振動(dòng)機(jī)理的復(fù)雜性，無法準(zhǔn)確模擬實(shí)際條件，管道設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)在保證管道柔性的情況下，應(yīng)注重管系的剛度，必要時(shí)增加支架，盡量消除振動(dòng)影響。

2.3 設(shè)備接管

對(duì)于靜設(shè)備，當(dāng)管道對(duì)其作用力過大時(shí)，可能造成設(shè)備變形和局部應(yīng)力過大，甚至?xí)?dǎo)致焊縫開裂，引起泄漏事故，其中受力狀況涉及到有一次應(yīng)力，二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力；一次應(yīng)力是受載荷控制的應(yīng)力，必須滿足外力、內(nèi)力和力矩平衡的定律，其上限應(yīng)不超過材料基本許用應(yīng)力；二次應(yīng)力受變形控制，一般為計(jì)算所得的器壁中壁厚方向的彎曲應(yīng)力；在低于蠕變范圍的溫度時(shí)，一次應(yīng)力加二次應(yīng)力的組合應(yīng)力基本限制在2倍屈服應(yīng)力或安定極限。峰值應(yīng)力是高度集中的應(yīng)力，在做疲勞分析時(shí)考慮這一應(yīng)力，空分冷箱內(nèi)配管時(shí)一般不考慮峰值應(yīng)力。靜設(shè)備(如塔器)受外載荷作用一般可采用WRC107或WRC297公報(bào)進(jìn)行校核，因這兩個(gè)公報(bào)有使用條件的限制，必要時(shí)可采用有限元方法分析。

對(duì)于動(dòng)設(shè)備，管嘴受力會(huì)影響設(shè)備的安全運(yùn)行，受力要求非常嚴(yán)格，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)管口受力進(jìn)行校核，盡量減小管口受力。動(dòng)設(shè)備例如離心泵管口受力可采用API610標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核，標(biāo)準(zhǔn)中已給定有允許管口載荷，管道布置必須使進(jìn)出口管道具有足夠的柔性，以減小管道作用于泵管口處的力和力矩，且應(yīng)保證泵殼體的任何變形將處于賣方設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并保證泵軸位移在規(guī)定之內(nèi)。膨脹機(jī)可采用美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 617的校核準(zhǔn)則對(duì)安裝工況和運(yùn)行工況下的管道外加荷載進(jìn)行校核。依據(jù)API 617 描述，膨脹機(jī)允許荷載校核共分3部分：(1)膨脹機(jī)增壓端、膨脹端單個(gè)進(jìn)、出口荷載合成后單獨(dú)校核。(2)膨脹機(jī)進(jìn)、出口荷載依據(jù)一定的參考位置組合后整體校核。(3)膨脹機(jī)進(jìn)、出口荷載組合后各向分量單獨(dú)校核。膨脹機(jī)各管口出受力的整體綜合校核往往最難通過，因此計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮各管口的受力，使不同管口處的作用力相互抵消；對(duì)膨脹機(jī)管道進(jìn)行柔性分析時(shí)，不僅要使操作狀態(tài)下機(jī)器管口受力滿足API 617校核準(zhǔn)則的要求，而且應(yīng)使安裝狀態(tài)下管道對(duì)機(jī)器口的作用力盡量接近于零。

2.4 管架

管架作為管道設(shè)計(jì)重要的組成部分，其設(shè)置一直是管道設(shè)計(jì)人員的關(guān)注的重點(diǎn)，其中管架類型的正確選用及安裝位置至關(guān)重要。沿塔器布置的管道，其管道支架應(yīng)安裝于塔器上，保證管道與設(shè)備的同步收縮；在保證管道前后滿足柔性要求的前提下，管道可固定于冷箱骨架上；長(zhǎng)直管不可在沒有設(shè)置柔性彎的情況下兩端加固定架，其間為了滿足一次應(yīng)力(主要為重力)的要求，可用托架或?qū)蚣?，但要考慮管道的托空；

在進(jìn)行管道應(yīng)力分析時(shí)，由于軟件的局限性，不會(huì)對(duì)管道支架節(jié)點(diǎn)處支架受力進(jìn)行校核，有時(shí)雖然管道柔性符合應(yīng)力要求，但支架節(jié)點(diǎn)處受力較大，且支架選用較小或焊接不牢靠，位置不正確，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，支架變形或破壞，管道受力條件變化，很有可能引起管道的失效，造成安全事故或經(jīng)濟(jì)損失。因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意支架節(jié)點(diǎn)處受力大小，對(duì)支架進(jìn)行校核，選用滿足要求的支架型材；施工時(shí)保證支架焊接牢靠，位置正確，緊固件連接牢固。

2.5 管道多工況條件

空分裝置在開車時(shí)程序的要求如氬系統(tǒng)投入一般較晚，此時(shí)粗氬塔、精氬塔及管道處于較高溫度狀態(tài)，與之聯(lián)系的主塔處于低溫狀態(tài)，其間相連的管道由于兩端處于不同溫度范圍變形較大，如果設(shè)計(jì)不合理，必然在管道上或設(shè)備管口處產(chǎn)生較大的二次應(yīng)力，威脅管道的安全運(yùn)行。用戶要求延遲或暫停投運(yùn)氬系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)類似情況，因此此系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)不同操作工況進(jìn)行分析，進(jìn)行設(shè)備和管道布置，在滿足管道一次應(yīng)力在合理范圍情況下，使管道在不同工況下都具有足夠的柔性，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.6 其他方面

其他因素諸如開孔補(bǔ)強(qiáng)不合格，會(huì)使三通處承受內(nèi)壓能力不足，造成變形破壞；不必要的氣封、液封，使得流體介質(zhì)堵塞，工藝流程無法實(shí)現(xiàn)；管材或壁厚錯(cuò)用，會(huì)使得管道諸如耐腐蝕能力、耐低溫能力、承壓能力不滿足介質(zhì)要求及應(yīng)力水平過高，引起管道的失效等。面對(duì)這些問題需要設(shè)計(jì)及施工認(rèn)真對(duì)待，認(rèn)真核算相關(guān)內(nèi)容，嚴(yán)格按圖施工，避免因疏忽大意造成的影響。

3 總 結(jié)

綜上所述，影響管道安全運(yùn)行的因素有很多，有些問題一不小心就會(huì)忽略，因此要求在管道設(shè)計(jì)對(duì)對(duì)這些因素要有足夠的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)人員要具有良好的技術(shù)素養(yǎng)，熟悉管道的工況，熟知標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有分析的手段，才能確保低溫管道安全可靠地運(yùn)行。

[1] 唐永進(jìn). 壓力管道應(yīng)力分析[M]. 2版.北京：中國(guó)石化出版社，2009.

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Main Points of Piping Design in Air Separation Cold Box

HUANG Chao

(Design & Research Institute Co., Ltd. of Kaifeng Air Separation Group, Kaifeng 475000, China)

The reasonable design of the pipeline is very important for the safe operation of the equipments in the air separation cold box. This paper develops methods of piping design by the analysis, All is to ensure equipments safety.

air separation cold box; piping design; analysis

2016-11-18

TB65

A

1007-7804(2016)06-0027-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.06.008

黃 超(1988)，男，籍貫河南，大學(xué)本科，過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)就職于開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事管道設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析工作，助理工程師職稱。