基于CAESARⅡ的廠區(qū)熱媒管道設(shè)計

蔡貞玉 張寅秋

摘 ? 要：高溫高壓的管道，柔性化應(yīng)力分析是保證生產(chǎn)安全運行的一個主要因素。本文以設(shè)計溫度350℃，設(shè)計壓力1.2MPa，材質(zhì)為20#鋼，管徑為DN400，氫化三聯(lián)苯為主要介質(zhì)的廠區(qū)綜合管線為例，從確定介質(zhì)流速，到計算管道管徑、壁厚，并使用CAESARⅡ軟件對管線進行詳細的建模設(shè)計分析。詳細講述了廠區(qū)熱媒管線設(shè)計的流程。

關(guān)鍵詞：熱媒 ?綜合管線 ?應(yīng)力分析

中圖分類號：TB21 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0114-02

隨著近代工業(yè)的發(fā)展，大量高溫高壓管道的應(yīng)用，管道的配置顯得越來越重要。應(yīng)力分析得到了廣泛的應(yīng)用，可以說離開它，配管設(shè)計將寸步難行。廠區(qū)熱媒管線應(yīng)力分析不僅僅局限于局部應(yīng)力的分析和判別，必須兼顧整個管系。

1 ?應(yīng)力分析的重要性

對于一個工藝成熟、設(shè)備定型的石油化工裝置來說，裝置設(shè)計的優(yōu)劣很大程度取決于配管設(shè)計水平——柔性設(shè)計。目前管道應(yīng)力分析在優(yōu)化設(shè)計、安全生產(chǎn)、節(jié)約材料等方面起到了很大的作用，并已在石油、化工、電力等燃化工業(yè)管道設(shè)計中占據(jù)了十分重要的位置。管道應(yīng)力分析是管道工程設(shè)計的基礎(chǔ)，是裝置安全運行的重要保障。應(yīng)力分析為管道的布置、安裝、配置提供科學依據(jù)[1]。通過應(yīng)力分析，可以確定管系的應(yīng)力水平在允許的應(yīng)力范圍內(nèi);可以確定管道支吊架的類型和定位;也可以對管架提供管道作用荷載數(shù)據(jù)，對管架、固定架、導向架和管道限位架進行設(shè)計。

管道布置不合理，將會使整個系統(tǒng)運行存在安全隱患。尤其是和動設(shè)備相連的管道和大管徑高溫管道，管道出現(xiàn)應(yīng)力事故時有發(fā)生，嚴重時甚至導致人員傷亡。管道的應(yīng)力分析一般有形狀判斷法、簡單計算法和復雜分析法三種，大管徑的高溫熱媒管線在首次設(shè)計時，需要采用復雜分析法進行應(yīng)力計算。

2 ?熱媒管道和廠區(qū)管線的特點

2.1 熱媒管道

熱媒廣泛應(yīng)用于石油化工、合成纖維、合成樹脂、醫(yī)藥、印染等行業(yè)，因此，熱媒管道的設(shè)計對工業(yè)生產(chǎn)有著重要的影響。貫穿廠區(qū)的大熱媒管道的合理布置不僅可以節(jié)省生產(chǎn)成本，也是維持工藝生產(chǎn)條件的主要因素之一。

管道的設(shè)計溫度達到350℃，設(shè)計壓力為1.2MPa時，根據(jù)《壓力容器壓力管道設(shè)計許可規(guī)則》TSG R1001-2008的規(guī)定，此類管道屬于GC2級壓力管道。該熱媒管道的熱效應(yīng)非常明顯。管道對管架的水平作用力以及管道自身的熱位移都需要進行嚴格的計算和控制。另外，熱媒管線的高點脫氣和低點排液都要有連接管[2]。因此要嚴格控制熱媒管線的走向，盡可能保證管道從熱媒站到車間步步高布置，將高低點的設(shè)置都放在車間內(nèi)部，與車間內(nèi)的脫氣管道、低排管道統(tǒng)一布置。

2.2 廠區(qū)管線

廠區(qū)管線的布置設(shè)計要統(tǒng)籌規(guī)劃，要符合儀表流程圖的要求;又要做到安全可靠、經(jīng)濟合理，滿足施工、操作、維修等方面的要求，力求美觀整齊[3]。

在外觀廊上敷設(shè)管道時，管架邊緣至建筑物或其他設(shè)施的水平距離要符合GB50160《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》、GB50187《工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計規(guī)范》及GB50016《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的規(guī)定。管道間的最小間距及管道的基本跨距宜根據(jù)《化工工藝設(shè)計手冊》[4]選取。

若管道較多，廠區(qū)管廊可設(shè)置兩層或多層，標高按照有關(guān)裝置進出管道交接點坐標協(xié)調(diào)布置。需要設(shè)置操作平臺或維修通道的管道及熱管道，宜布置在上層。需設(shè)置∏形補償器的高溫管道，宜并排設(shè)置。管徑較大、溫度較高、需要較大的∏形補償器的管道宜放在外側(cè)。

3 ?設(shè)計步驟

3.1 確定管道型號

氫化三聯(lián)苯為介質(zhì)的一次液相熱媒管道，正常操作溫度在330℃左右，根據(jù)HG/T 20570.1《設(shè)備和管道系統(tǒng)設(shè)計壓力和設(shè)計溫度的確定規(guī)范》的規(guī)定，該管線的設(shè)計溫度確定為350℃。在350℃時，管道的操作壓力約為1.0MPa，根據(jù)設(shè)計壓力大于管路系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的最大工作壓力這一原則，確定全廠熱媒管道設(shè)計壓力為1.2MPa（根據(jù)經(jīng)驗取操作壓力的）。綜合考慮熱媒的性質(zhì)、管道材料的性能及生產(chǎn)成本，管道選用20#無縫鋼管。將熱媒流速控制在1.8 m/s內(nèi)，根據(jù)用量計算得熱媒管徑大于360mm，故選用DN400的管道。

3.2 初步布管

一般除管道走向的自然補償外，在廠區(qū)架空管線熱媒中經(jīng)常使用∏形彎補償[5]。兩端對稱依次設(shè)置導向架和固定架。管架間距和管徑大小相關(guān)，一般情況下，兩導向架間距按40倍公稱直徑的長度考慮[3]。本文采用的實例廠區(qū)為三層架空管架，熱媒進回總管布置在管架最上層8.5m層，∏形彎最外側(cè)。為了使三層管道補償器位置一致，又能較好的吸收管線的熱膨脹量，補償器的的中心距離為60m左右。

3.3 CAESARⅡ分析

根據(jù)管道初步布置圖在CAESARⅡ軟件中輸入模型，運行后對結(jié)果進行分析。首先檢查管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力結(jié)果：若一次應(yīng)力沒有通過，可以通過增加支撐的方法解決;若二次應(yīng)力沒有通過，可以取消不必要的支撐，或者通過改變固定支撐和導向支撐的位置來優(yōu)化彎頭和∏形彎的補償能力。另外，還可以增加∏形補償器的數(shù)量。其次對管道熱位移進行核對;通過調(diào)整導向架的數(shù)量和位置盡可能減小管道的熱位移量，至少保證運行時相鄰管道不相互接觸。一般室外綜合管線位移量須<100mm。再次管道對管架的作用力，尤其是水平推力不可太大：若管道的水平推力太大，給管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和基礎(chǔ)設(shè)計帶來很大的困難。一般管架固定點的受力比普通支架處大得多，當水平推力超出接受范圍時，可以將固定支架改為雙向限位架，空隙3～5mm。通常，管線固定點的位置一般需要管架立腿做基礎(chǔ)，因此管線的固定點的設(shè)計要避開道路和車間門窗等位置。最后，在滿足廠區(qū)管線布置要求的基礎(chǔ)上，調(diào)整模型至應(yīng)力計算結(jié)果達標，修改管道布置圖，輸出計算書。

參考文獻

[1] 梁軍.工業(yè)管道設(shè)計中的應(yīng)力分析[J].山西化工，2005（4）：78-80.

[2] Typische Detaillosunged Für HTM-Anlagen/Typical Arrangements for HTM Plants[S].Zimmer， WN-E003-0100 M Rev.005.

[3] 唐永進.壓力管道應(yīng)力分析[M].2版.北京：中國石化出版社，2010.

[4] 吳德榮.化工工藝設(shè)計手冊[M].4版.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[5] 石油化工管道柔性設(shè)計規(guī)范[S].中華人民共和國國家貿(mào)易委員會發(fā)布，SH/T3041-2002.