基于CAESAR II軟件解決灰水循環(huán)泵進出口管道的應力問題

付雷 米超輝(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

0 引言

煤化工項目氣化裝置內工藝用高壓高溫灰水循環(huán)泵為德士古氣化裝置關鍵設備，一開一備，一臺流量不足另一臺自動啟動，主要為氣化爐激冷室供激冷水以防止激冷室和下降管過熱變形，另外還向洗滌塔合成器管線上的文丘里洗滌器供洗滌水[1]。該泵一旦發(fā)生故障，極有可能引起系統(tǒng)跳車[1]。

灰水循環(huán)泵為端進頂出的臥式離心泵，泵進口管道原設計壓力為7.20MPa，出口管道設計壓力為9.50MPa，泵進出口操作溫度為245℃。離心泵管口承受管道作用力和力矩的允許值通常由制造廠提出，對于制造廠未提出受力要求的離心泵，其管口受力一般要求滿足API610的規(guī)定[2]。

1 存在的應力問題和解決辦法

1.1 存在問題

煤氣化裝置內的灰水循環(huán)泵進出口管道操作溫度高、設計壓力大，隨著裝置規(guī)模的擴大管徑亦增大、壁厚增加，大口徑管道剛度大、柔性差；該泵輸送的介質為高溫、高壓、帶固體顆粒的氣化黑水，易造成管道磨蝕、堵塞，為提高泵的吸入性能，工藝要求泵吸入管路應盡可能縮短，盡量少拐彎，以減少管道阻力損失；隨著建設用地規(guī)模減小、管廊跨距所限，導致灰水循環(huán)泵管道布置空間受限。在有限的空間內采用CAESAR II軟件進行應力分析，合理設置管道走向和管道支吊架型式及位置，既要滿足工藝要求，又要滿足應力要求，并使泵口承受管道作用力和力矩的允許值滿足制造廠或者API 610的要求，應力分析工作難度非常大。

1.2 解決辦法

煤氣化裝置內的灰水循環(huán)泵進出口管道的應力分析牽涉管機、工藝、機泵、管材、管道等多個專業(yè)，需要相互溝通、配合才能解決問題。

工藝專業(yè)在接收到工藝包時，應及時核對灰水循環(huán)泵進出口管道的管徑，在滿足工藝要求的前提下，盡可能減小管徑。機泵專業(yè)在確定灰水循環(huán)泵的進出口直徑時，應滿足工藝要求。綜合考慮投資的前提下，提高泵口直徑或者增加泵口承受管道作用力和力矩的允許值。

高溫高壓的灰水循環(huán)泵進出口管道，管壁厚、材料的線膨脹系數(shù)大、管道的剛度大、強度高。因此，在選材的過程中盡可能選擇耐高壓、耐高溫、管壁較薄的不銹鋼材料。

管道專業(yè)在布置管道時，應在滿足工藝要求的前提下，通過增設彎頭增加管道柔性。

2 基于CAESAR II軟件灰水循環(huán)泵進出口管道的應力分析

本文以國內某煤化工項目氣化裝置內的灰水循環(huán)泵進出口管道布置為例，調整管道相應參數(shù)，采用CAESAR II軟件對灰水循環(huán)泵進出口管道進行管道應力分析，優(yōu)化模型，滿足設計要求，保證一次開車成功。

2.1 基本參數(shù)

該泵輸送的介質為高溫、高壓、帶固體顆粒的氣化黑水，泵進出口直徑分別為10″、8″，進出口管道直徑為16″，材料為TP304L，管道壁厚26mm?；A工程設計階段該泵管口承受管道作用力和力矩的允許值為API610的兩倍[2]，坐標方向見圖1。

圖1 臥式泵管口坐標

2.2 基于CAESAR II軟件灰水循環(huán)泵進出口管道的應力分析

方案一：基礎工程設計階段配管專業(yè)提供的原管道走向、材質及管口受力允許值。

方案二：調整材質、管口受力允許值及經(jīng)過應力分析優(yōu)化管道布置后的新配管方案。

通過比較兩種方案的應力分析結果，對灰水循環(huán)泵進出口管道進行應力分析，最終方案既滿足工藝要求，又滿足應力要求，管口受力滿足制造廠要求。計算中管道標準采用美國的ASMEB31.3，灰水循環(huán)泵標準采用API610。

2.2.1 方案一及應力分析

基礎工程設計階段配管專業(yè)提供的原管道走向見圖2和圖3。

圖2 灰水循環(huán)泵原出口管道軸測圖

圖3 灰水循環(huán)泵原入口管道軸測圖

簡單描述：出口管道的60、180點，入口管道的225、250、310 點為彈簧支架；出口管道的266、285、600、625、630 點，入口管道的40、50、85、140、150、185、260 點為剛性承重支架，出口管道的85、105、205、225、250 點、入口管道的70、170、220 點為限位支架。

采用CAESAR II軟件計算分析灰水循環(huán)泵管口受力結果見表1所示?；宜h(huán)泵入口承受管道的力Fx是允許值的1.2倍，入口承受管道的力矩Mz是允許值的2倍，出口承受管道的力矩Mx是允許值的1.5倍。入口管道上的限位支架現(xiàn)場施工困難，無法保證限位支架間隙精度。出口管道拐彎較多，管道阻力損失大，容易造成管道堵塞，不能滿足工藝要求。

分析造成灰水循環(huán)泵管口受力遠超允許值的原因：普通離心泵的進出口管道的管徑一般比泵進出口直徑大1～2級，泵口受力允許值為API 610標準的兩倍。該泵進口管道的管徑比泵進口直徑大3級，出口大4級，而泵口受力允許值仍按照API 610標準的兩倍考慮，偏于保守。選用的TP 304L不銹鋼管道壁厚值偏大，管道強度高，剛度大。

因此在詳細設計階段，經(jīng)與工藝、機泵、材料專業(yè)以及制造廠溝通協(xié)調，將管道設計壓力、管道材料、泵口受力允許值進行調整，并采用CAESAR II計算分析，優(yōu)化管道應力模型及支吊架位置和型式。

2.2.2 方案二及應力分析

經(jīng)工藝專業(yè)核算，灰水循環(huán)泵進出口管道直徑不能縮小，但是出口設計壓力由10.00MPa調整為9.5MPa；機泵專業(yè)與制造廠溝通不增加泵口直徑而提高泵口受力允許值(由API610標準的兩倍提高為三倍)；材料專業(yè)將管道材料由TP 304L修改為TP 316。經(jīng)分析計算優(yōu)化后的灰水循環(huán)泵管口受力結果見表1。

表1 灰水循環(huán)泵管口受力荷載

經(jīng)應力分析優(yōu)化后的管道布置方案，灰水循環(huán)泵管口承受管道的力和力矩均小于制造廠給出的允許值，應力模型一、二次應力滿足標準要求，管道走向滿足工藝要求，現(xiàn)場一次開車成功，后期運行平穩(wěn)。優(yōu)化后管道上的限位支架現(xiàn)場便于施工。

3 結論與建議

高溫高壓灰水循環(huán)泵進出口管道的合理布置對于裝置的安全運行起著至關重要的作用，管道應力分析是保證管道安全運行的一種重要方法。本文以國內某煤化工項目氣化裝置內的灰水循環(huán)泵進出口管道布置為例，采用CAESAR II軟件進行應力分析和配管研究，通過調整管道設計壓力、管道材料、泵口受力允許值和優(yōu)化管道走向及、合理設置支吊架型式和位置使之滿足應力、工藝及標準要求，得到了較為優(yōu)化的配管設計。

由于大口徑的灰水循環(huán)泵進出口管道建設投資大，建議在設計的過程中綜合考慮，優(yōu)化出最好的方案：

(1)綜合考慮管道材料成本、灰水循環(huán)泵成本、工藝對于壓力-流量-流速要求，確定管道設計壓力、材料、壁厚、管徑，灰水循環(huán)泵進出口管徑、泵口受力允許值等參數(shù)；

(2)在此參數(shù)下進行應力分析，優(yōu)化管道布置，合理設置支吊架型式和位置，使應力模型滿足一、二次應力要求，管口受力滿足制造廠或標準要求，管道布置滿足工藝要求。