空冷器管箱設(shè)計(jì)與配管設(shè)計(jì)的影響作用研究

張軍文

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

空氣冷卻器(以下簡(jiǎn)稱“空冷器”)是利用空氣作為冷卻介質(zhì)將工藝介質(zhì)(熱流)冷卻到所需溫度的一種換熱設(shè)備。一般來說，工業(yè)上，介質(zhì)溫度低于120 ℃時(shí)，熱量回收代價(jià)比較大或因熱源的分散性和間歇性而難以綜合利用，這部分熱量大多經(jīng)空冷器換熱后排放到大氣中【1】。

在石化煉化項(xiàng)目中，隨著裝置的大型化，在單片空冷器冷卻效率一定的情況下，為了達(dá)到相應(yīng)處理量所需的冷卻效果，只能通過增加空冷器片數(shù)的辦法來滿足要求。由于空冷器片數(shù)的增加以及空冷外接管——集合管管徑的加大，使空冷器的配管設(shè)計(jì)變得越發(fā)困難，尤其是空冷器作為敏感設(shè)備，其外接管的允許受力非常小，如何既保證空冷器的運(yùn)行安全，又能滿足其配管設(shè)計(jì)的要求成為了現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)計(jì)非常重要的課題之一。

本文以某海外項(xiàng)目空冷器管束支架的設(shè)計(jì)調(diào)整為例，詳細(xì)闡述了空冷器管束精確的模擬方式以及管箱支承處的校核方法，分析了空冷器管束支架的支撐形式及預(yù)留間隙的大小對(duì)空冷器配管設(shè)計(jì)的影響。

1 空冷器和空冷器管束的基本結(jié)構(gòu)介紹

空冷器主要由管束、風(fēng)機(jī)、構(gòu)架、百葉窗、梯子平臺(tái)等五個(gè)基本部件組成，其基本結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。對(duì)于空冷器配管設(shè)計(jì)產(chǎn)生主要影響的是空冷器的管束部分。管束由傳熱管(翅片管或光管)，管箱，側(cè)梁，進(jìn)、出口管等構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。進(jìn)口管與前管箱相連；工藝介質(zhì)通過進(jìn)口管進(jìn)入管箱，通過管箱分配到每個(gè)翅片管，在翅片管內(nèi)完成換熱之后通過出口管流出；前、后管箱均支撐在管束的下支梁上。

圖1 空冷器的基本結(jié)構(gòu)

圖2 空冷器管束的基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)工藝介質(zhì)進(jìn)入空冷器時(shí)，管箱寬度方向以及翅片管長(zhǎng)度方向的熱膨脹將會(huì)引起管束的位移，對(duì)于多行程管束，各行程間的溫差還將產(chǎn)生相對(duì)位移，如不采取措施會(huì)引起傳熱管彎曲、開裂，構(gòu)架變形損壞，脹口泄漏等事故。因此空冷器管束做熱膨脹計(jì)算及熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)遵守下列原則【1】：

1) 任何管束的管箱與管束框架槽鋼間必須有一端可以沿長(zhǎng)度方向自由伸縮，同時(shí)還應(yīng)留有沿管箱寬度方向的熱膨脹間隙。

2) 確定管束的固定端和自由端，只允許管束向自由端做熱位移的滑動(dòng)。一般以進(jìn)、出口管線的一端為固定端。對(duì)于單管程管束，除有特殊要求外，一般將進(jìn)口管箱確定為固定端。

3) 以管束側(cè)梁為固定基座。對(duì)固定端管箱與側(cè)梁進(jìn)行管束長(zhǎng)度方向的緊固連接，自由端管箱僅依靠側(cè)梁為重力支撐，但應(yīng)允許支撐點(diǎn)做長(zhǎng)度及寬度方向的滑動(dòng)。

2 具體案例分析

圖3和圖4是某海外項(xiàng)目空冷器的布置及其配管設(shè)計(jì)示意。該空冷器外形尺寸為9 m×2.5 m，共計(jì)16片，每片有3個(gè)入口管嘴和1個(gè)出口管嘴，進(jìn)口溫度為89 ℃，出口溫度為60 ℃，進(jìn)、出口管嘴均在一側(cè)，該側(cè)管箱即為固定端管箱?？绽淦鞴苁|(zhì)量約為5 000 kg，其中管箱和翅片管質(zhì)量約為1 400 kg，進(jìn)、出口管箱與其支撐點(diǎn)采用低摩擦組件，并在管箱寬度方向上留有7 mm間隙(未滿足請(qǐng)購(gòu)階段要求的15 mm間隙)。該間隙只滿足管箱自身的熱膨脹。

圖3 空冷器布置及其配管設(shè)計(jì)

圖4 空冷器編號(hào)及管道止推點(diǎn)的設(shè)置位置

空冷器采用水平式成排布置。因?yàn)榭绽淦瑪?shù)較多，即使在集合管的正中間設(shè)置止推支架，其從止推點(diǎn)到最末端空冷器的最外側(cè)管嘴的長(zhǎng)度也超過了20 m，在計(jì)算溫度下，管道的熱膨脹量為17.66 mm。

工藝管道通過進(jìn)、出口管嘴與空冷器相接，其外力荷載直接作用在進(jìn)、出口管嘴上，通過管嘴傳遞到管箱，直至最終作用到管箱與管束下支梁處。當(dāng)工藝管道作用在管箱寬度方向上的力足夠大時(shí)，有可能克服管箱與其支撐之間的摩擦力，從而推動(dòng)管箱在其支架上滑動(dòng)。因?yàn)楣芟湓趯挾确较蛏蟽H留有7 mm的滑動(dòng)間隙(如圖5所示)，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的15 mm的間隙，也遠(yuǎn)小于管道在此方向的熱膨脹量17.66 mm，因此，當(dāng)管道升溫推動(dòng)空冷器滑動(dòng)時(shí)，這7 mm的間隙會(huì)對(duì)空冷器管嘴受力產(chǎn)生什么影響、管道如此高的膨脹量又會(huì)對(duì)空冷器產(chǎn)生什么影響以及如何通過調(diào)整空冷器管箱的設(shè)計(jì)將該影響控制在安全范圍之內(nèi)是本文下面需要討論的問題。

圖5 前管箱的支撐

首先，采用數(shù)值分析的方法，即有限元的方法分析空冷器管箱處的位移及擋塊受力，并利用CAESAR Ⅱ 2014軟件對(duì)空冷器入口管系進(jìn)行應(yīng)力分析求解【2】。對(duì)于空冷器設(shè)備有多種模擬方法，一般常用的模擬方法是假設(shè)每片空冷器管箱的正中間為固定端，只考慮空冷器自身熱膨脹對(duì)管嘴的影響，不考慮空冷器設(shè)備在管道推力作用下產(chǎn)生滑動(dòng)的可能性。該種模擬方法簡(jiǎn)單方便，對(duì)于空冷器管道受力的計(jì)算結(jié)果較為保守，適合于片數(shù)較少的空冷器管道的計(jì)算。本文中空冷器片數(shù)較多，管系在空冷器寬度方向上的膨脹量非常大，僅僅依靠每一路分支管的柔性來吸收此膨脹量會(huì)使配管設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。為此需要采用另一種較為復(fù)雜的模擬方法，即考慮空冷器在管道推力作用下滑動(dòng)的可能性。采用此方法非常重要的兩個(gè)因素是支架的摩擦系數(shù)和空冷器荷重的取值。前者根據(jù)SH/T 3041取值，一般對(duì)于片數(shù)較多的空冷器，根據(jù)以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，如按常規(guī)要求采用0.3的摩擦系數(shù)，空冷器管嘴受力常常無法通過校核，因此本項(xiàng)目在請(qǐng)購(gòu)階段統(tǒng)一要求所有空冷器管箱與其支撐點(diǎn)采用低摩擦組件(即摩擦系數(shù)為0.1)，并在兩側(cè)留有15 mm的間隙。理論上空冷器在其寬度方向上滑動(dòng)得越多越有利于吸收管道的熱膨脹量，空冷器管嘴的校核也越容易通過。對(duì)于空冷器荷重的取值這個(gè)問題存在一定的爭(zhēng)議，有些會(huì)將整個(gè)管束加百葉窗的重量作為模擬的重量，認(rèn)為空冷器的滑動(dòng)是整個(gè)管束在構(gòu)架上的滑動(dòng)，而實(shí)際上在這種滑動(dòng)發(fā)生之前，管箱在管束上的滑動(dòng)應(yīng)該已先發(fā)生。如圖5所示，管箱是單獨(dú)支撐在管束下支撐梁上的，且有留有一定的間隙，其所連接的翅片管具有足夠的柔性能夠隨管箱一起滑動(dòng)，因此本文將直接取兩端管箱加翅片管的重量作為空冷器的荷重。經(jīng)計(jì)算，所有的管嘴受力均通過校核，但是這并不意味著設(shè)計(jì)的完結(jié)，因?yàn)楣芟渑c管束下支梁之間只有7 mm 間隙，當(dāng)位移量達(dá)到7 mm時(shí)，空冷器將被擋塊擋住停止滑動(dòng)。從表1所示的每片空冷在x方向的位移及擋塊的受力可以看出，靠近空冷器的中間部分，7 mm的間隙基本夠用，擋塊也沒有受力，到兩側(cè)時(shí)，空冷器擋塊受力逐漸加大。因?yàn)楣艿赖闹雇泣c(diǎn)沒有完全對(duì)中，所以最右側(cè)(即+x方向)空冷器Q的擋塊比最左側(cè)的空冷器A的擋塊受力要大，作用在擋塊上的最大推力為5 027 N，擋塊能否承受這么大的推力需要通過計(jì)算來驗(yàn)證。對(duì)于這樣一個(gè)元件，可以采用有限元的數(shù)值解，但計(jì)算復(fù)雜且不能為工程設(shè)計(jì)提供簡(jiǎn)單有效的核算辦法。因此本文將問題簡(jiǎn)化，假設(shè)擋塊上的力集中作用在擋塊的末端，采用材料力學(xué)的方法來加以校核。擋塊雖然是空冷器設(shè)備的組成部分，卻是非受壓元件，應(yīng)屬于結(jié)構(gòu)件，它的破壞形式主要表現(xiàn)為材料的屈服、產(chǎn)生塑性變形，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按GB 50017—2018《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定選用。操作溫度為89 ℃時(shí)，Q235鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[σ]=215 MPa。計(jì)算中將忽略擋塊開孔的削弱系數(shù)，擋塊詳細(xì)尺寸如圖6所示。

表1 空冷器管箱兩側(cè)的位移值及擋塊受力

注：空冷器編號(hào)及左、右側(cè)定義見圖2。

圖6 空冷器管箱與管束下支撐連接處擋塊

根據(jù)式(1)

(1)

式中：Mmax——截面的最大彎矩，N/m；

Wx——抗彎截面系數(shù)，m3。

有

Mmax=5 027×0.1=502.7 N/m

Wx=1.44×10-6m3

σ=349.1 MPa>215 MPa

由上述計(jì)算可以看出，結(jié)果為不通過。因此，空冷器的設(shè)計(jì)必須做出一定的修改才能保證設(shè)備的安全。加大間隙是最簡(jiǎn)單直接的辦法，但是本項(xiàng)目中，由于某些原因，單片空冷兩側(cè)7 mm的間隙已無法加大。因?yàn)楫?dāng)初預(yù)留的間隙是兩側(cè)各7 mm 間隙，而當(dāng)外接管膨脹時(shí)，空冷器主要被帶動(dòng)朝一側(cè)滑動(dòng)，經(jīng)與制造廠反復(fù)協(xié)商，確認(rèn)可以在空冷器組裝時(shí)將一側(cè)富裕不用的間隙留給另一側(cè)。這樣修改之后，一側(cè)間隙為0 mm，另一側(cè)為14 mm。將此修改后的數(shù)據(jù)代入到計(jì)算文件中，管嘴校核同樣通過，而作用在擋塊上的力則減小到2 372 N。將該力代入式(1)中計(jì)算，結(jié)果為通過，說明該方案可行。

除了將兩側(cè)的空冷器偏心安裝，還有一個(gè)辦法，就是加大摩擦力、減小空冷器管箱在其支架上的滑動(dòng)。根據(jù)最初的請(qǐng)購(gòu)和設(shè)計(jì)要求，空冷器管箱與管束下支梁使用的是低摩擦組件，其摩擦系數(shù)為0.1，而該組空冷器片數(shù)雖然較多，但是入口溫度不高，因此可以考慮將低摩擦組件取消，這時(shí)的摩擦系數(shù)即為鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)0.3。將此摩擦系數(shù)代入到計(jì)算模型中，管嘴校核仍可通過，此時(shí)作用在擋塊上的力為1 089 N。將該力代入式(1)中計(jì)算，結(jié)果同樣為通過。

3 結(jié)論

1) 空冷器管箱與管束下支梁之間的支架形式和支架間隙對(duì)于空冷器配管設(shè)計(jì)有較大影響，在項(xiàng)目前期關(guān)鍵設(shè)備請(qǐng)購(gòu)時(shí)，設(shè)備和配管專業(yè)應(yīng)就相應(yīng)的要求及早達(dá)成共識(shí)，以避免后續(xù)修改所帶來的麻煩。

2) 空冷器設(shè)備在CAESAR Ⅱ中的模擬方式直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的精確度乃至計(jì)算結(jié)果的正確性，尤其是對(duì)于一些片數(shù)較多、壓力較大、溫度較高的空冷器。