空冷器入口管線的應(yīng)力分析

陸 陽

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061)

空冷器是石油化工行業(yè)一種常用的冷換設(shè)備，其設(shè)備布置和管道布置除了應(yīng)滿足冷換設(shè)備的一般規(guī)定外，有其自身的特點(diǎn)和要求?？绽淦魇且钥諝庾鳛槔鋮s介質(zhì)，強(qiáng)迫空氣通過傳熱管外面的翅片以冷卻管內(nèi)介質(zhì)的間壁式換熱器，可用作冷卻器和冷凝器。

空冷器的應(yīng)用范圍有塔頂油氣冷凝，汽油、柴油冷卻等多種工況[1]。對于某些裝置，空冷器的管線管徑較大，為提高空冷器管線的安全性，常對其進(jìn)行應(yīng)力分析，以便進(jìn)行合理的管線布置。CAESAR Ⅱ廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等行業(yè)[2]。本文利用CAESAR Ⅱ?qū)δ呈綜7+分離裝置兩種不同入口口徑的空冷器管線進(jìn)行應(yīng)力分析，找出使管線、設(shè)備管嘴受力均滿足安全要求的管線安裝方式。

1 管線設(shè)計(jì)基本條件

圖1 A701空冷器空冷器流程簡圖

圖2 A702空冷器空冷器流程簡圖

空冷器位號A701A702最高操作溫度/℃165212最高操作壓力/MPa0.480.53空冷器入口管嘴公稱直徑DN200DN300管道材質(zhì)20#碳鋼20#碳鋼介質(zhì)密度/(kg/m3)5.2410.72

本文對兩種不同管口直徑的空冷器入口管線進(jìn)行應(yīng)力分析。A701空冷器的入口管嘴直徑為DN200，A702的入口管嘴直徑為DN300，流程簡圖見圖1與圖2?？绽淦魅肟诠芫€參數(shù)見表1。

表2 接管允許承受的彎矩和力

圖3 表2中力和力矩坐標(biāo)系

空冷器管嘴受力不應(yīng)超過制造廠提供的允許值。圖3為空氣器管嘴力和力矩坐標(biāo)系，表2為空冷器接管允許承受的彎矩和力。本項(xiàng)目與空冷器廠家簽訂技術(shù)協(xié)議時，要求空冷器入口管嘴受力按照NB/T 47007-2010(中國人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))中對表2中數(shù)值的2倍進(jìn)行設(shè)計(jì)(見表2與圖3[3])。

2 管線應(yīng)力分析

2.1 A701空冷器

2.1.1 管系模型

對A701流程圖中的管道進(jìn)行應(yīng)力分析，初始配管模型如圖4所示。

圖4 空冷器入口應(yīng)力模型

2.1.2 模型應(yīng)力分析

運(yùn)行模型，生成Caesar II應(yīng)力計(jì)算報告。主要分析結(jié)果如下：

①一次應(yīng)力比率為16.1%，二次應(yīng)力比率為38%，說明管系的柔性足夠。

②表3為A701空冷器入口熱態(tài)受力情況?？梢钥闯?，A701空冷器B、C、D的入口熱態(tài)受力情況不能滿足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求，扭矩MZ偏大，偏大的原因主要是由于熱漲導(dǎo)致管系位移相互作用的結(jié)果。

因此該管系需要尋求更合理的布管方式與支架設(shè)置方式。

表3 A701空冷器入口熱態(tài)受力情況

2.1.3 優(yōu)化后的管系模型

經(jīng)過對受力的分析，本文對該管系進(jìn)行了優(yōu)化，主要為調(diào)整了支架的位置，縮短了入口管線的直管段長度。優(yōu)化后的應(yīng)力模型如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后A701空冷器入口應(yīng)力模型

運(yùn)行該應(yīng)力模型，得到優(yōu)化后模型的應(yīng)力報告。主要分析結(jié)果如下：

①一次應(yīng)力比率為10.7%，二次應(yīng)力比率為21.7%。說明優(yōu)化后的模型同樣滿足管道柔性的要求，并且比初始模型的柔性更好。

②表4為優(yōu)化后A701空冷器入口熱態(tài)受力情況。由表中可以看出優(yōu)化后的空冷器入口管嘴受力可以滿足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求。從未優(yōu)化前管嘴受力表3中可以看出，超出2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的部分是-Z方向上的扭矩，因此縮短入口前Y方向上直管段的距離與調(diào)整支架的位置，可以有效減小-Z方向上的扭矩，但是不可太短，要預(yù)留足夠的人行通道空間。

表4 優(yōu)化后A701空冷器入口熱態(tài)受力情況

2.2 A702空冷器

2.2.1 初始管系模型

空冷器入口盡量采用平均分配的進(jìn)料方式，但是由于A702空冷器入口管嘴的管徑為DN300，管線較粗，因此不能用與A701空冷器相同的配管方式，A702空冷器入口配管初始模型如圖6所示。

圖6 A702空冷器入口應(yīng)力模型

2.2.2 模型應(yīng)力分析

①一次應(yīng)力比率為11.2%，二次應(yīng)力比率為13%。說明管系的柔性足夠。

②表5為A702空冷器入口熱態(tài)受力情況?？梢钥闯?，A702空冷器B入口熱態(tài)受力情況不能滿足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求，-Z方向扭矩MZ偏大。因此該管系需要尋求更合理的布管方式與支架設(shè)置方式。

表5 A702空冷器入口熱態(tài)受力

2.2.3 優(yōu)化后的管系模型

經(jīng)過對受力的分析，本文對該管系進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的應(yīng)力模型如圖7所示。

圖7 A702優(yōu)化后的應(yīng)力模型

2.2.4 優(yōu)化后模型的應(yīng)力分析

運(yùn)行該應(yīng)力模型，得到優(yōu)化后模型的應(yīng)力報告。主要分析結(jié)果如下：

①一次應(yīng)力比率為19.5%，二次應(yīng)力比率為13.3%。

②該空冷器入口管線管徑較大，受管徑與標(biāo)高的限制，可調(diào)整幅度較小。因此考慮與原設(shè)計(jì)方案相反方向接入管嘴。表6為優(yōu)化后A702空冷器入口熱態(tài)受力情況。由表中可以看出優(yōu)化后的空冷器入口管嘴受力可以滿足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求。

表6 優(yōu)化后A702空冷器入口熱態(tài)受力

3 空冷器管線支架

兩種不同管線布置的空冷器并排布置，需要設(shè)計(jì)合適的空冷器管線支架進(jìn)行支撐，通過對比應(yīng)力分析結(jié)果與配管模型，空冷器管線支架模型如圖8所示。

圖8 空冷器管線支架模型

4 結(jié)論

(1)不同入口管徑的空冷器管線需要考慮不同的配管方案與應(yīng)力分析方案。

(2)縮短特定位置的直管段長度、調(diào)整支架的位置與改變管線走向，都能有效的降低空冷器管嘴的扭矩。

(3)空冷器入口管線需要根據(jù)配管模型與應(yīng)力分析結(jié)果設(shè)計(jì)專門的空冷器管線支架進(jìn)行支撐。

[1] 李 誠.淺談空氣冷卻器在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道,2002(5):22-23．

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

[3]國家能源局. NBT 47007-2010 空冷式熱交換器[S].北京:新華出版社,2010:19-20.