集中再生塔底泵進(jìn)出管線應(yīng)力分析及配管優(yōu)化

(1.鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江國貿(mào)集團(tuán)東方機(jī)電工程股份有限公司，浙江 杭州 310016)

泵作為一種高速轉(zhuǎn)動設(shè)備，在整個(gè)裝置中，為介質(zhì)輸送提供動力來源?，F(xiàn)代裝置一般要求泵能夠長周期平穩(wěn)運(yùn)行，因此，對泵管口的受力有著嚴(yán)格要求。通常，受力限制由制造廠提出或參照美國石油學(xué)會的 API610標(biāo)準(zhǔn)[1]。管徑越大，介質(zhì)溫度越高，則管系對泵的推力和力矩就越大。在管道設(shè)計(jì)中，如果管道的走向﹑支架位置或者支架型式設(shè)計(jì)不合理，就會造成管道的作用荷載不均衡、泵管口荷載過大，由此導(dǎo)致泵和驅(qū)動機(jī)軸的不對中，進(jìn)而影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至毀壞設(shè)備。因此，必須對管道進(jìn)行應(yīng)力校核、管口受力分析、管道變形分析和管道支吊架設(shè)計(jì)等，以達(dá)到限制作用于轉(zhuǎn)動設(shè)備的荷載，使其在運(yùn)行周期內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行的目的[2，3]。

本文以配管工程師提交的集中再生塔底泵配管方案為例，分析其管線走向、支架位置、支架型式及應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而對配管方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 校核標(biāo)準(zhǔn)

校核泵進(jìn)出口管線應(yīng)力時(shí)，除了管系要滿足一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的要求外，泵管口荷載還應(yīng)按照API610附錄F 的規(guī)定進(jìn)行核算。本文采用CAESAR Ⅱ中的API610模塊進(jìn)行核算。管口力和力矩的坐標(biāo)系見圖1，具體核算標(biāo)準(zhǔn)列舉如下[1，4]。

(1)作用在每個(gè)泵口法蘭上的各分力和分力矩不得超過API610中表4(T4)規(guī)定限度的2倍以上。

(2)作用在每個(gè)泵口法蘭上的合成外加力(FRSA、FRDA)和合成外加力矩(MRSA、MRDA)應(yīng)當(dāng)滿足適當(dāng)?shù)南嗷プ饔梅匠淌健?/p>

[FRSA/(1.5×FRST4)]+[MRSA/(1.5×MRST4)]≤2

(1)

[FRDA/(1.5×FRDT4)]+[MRDA/(1.5×MRDT4)]≤2

(2)

(3)作用在每個(gè)泵口法蘭上的外加分力和分力矩必須移到該泵的中心。外加合力(FRCA)的大小、外加合力矩(MRCA)的大小以及外加力矩的大小應(yīng)當(dāng)受到方程(3)、(4)和(5)的制約。

FRCA≤1.5(FRST4+FRDT4)

(3)

|MYCA|≤2.0(MYST4+MYDT4)

(4)

MRCA≤1.5(MRST4+MRDT4)

(5)

圖1 管口力和力矩的坐標(biāo)系

2 案例介紹

本案例來自溶劑再生裝置，塔底泵P-0101AB和集中再生塔C-0101的相對位置見圖2。介質(zhì)密度為800kg/m3，泵進(jìn)出口管線及管口基本參數(shù)見表1。兩臺塔底泵為一開一備。由于泵進(jìn)出口管線之間均設(shè)置了暖泵線，可以認(rèn)為備用泵與運(yùn)行泵的進(jìn)出口管線工作溫度一致，否則應(yīng)重新考慮備用泵進(jìn)出管線切斷閥之間的溫度取值，通常做法為取正常溫度的一半[5]。

圖2 泵和塔的平面布置

表1 泵進(jìn)出口管線及管口基本參數(shù)

3 方案比選與校核

3.1 泵進(jìn)口管線

泵進(jìn)口管線的各配管方案見圖3。方案1為配管工程師提供的初始配管方案，塔與泵、泵與泵之間的管線基本以最經(jīng)濟(jì)的方式連接。這種配管方案缺乏柔性，通常只適用于常溫、小管徑的管道系統(tǒng)[6，7]。方案2～方案4是在方案1基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行優(yōu)化所得。各方案下泵入口載荷比較見表2。

圖3 塔底泵進(jìn)口管線配管方案

對方案1～方案4進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，得到泵管口(節(jié)點(diǎn)130和節(jié)點(diǎn)1130)的受力及力矩值(見表2)，其中，限定值為API610規(guī)定值的2倍。對比方案1和方案2可以看出，由于方案2增加了塔與泵之間的柔性，吸收了部分X方向的推力，使得管口FX值減小了很多，同時(shí)MZ值也小了很多。但該方案中泵與泵之間的柔性未得到改善，兩臺泵管口FZ值(絕對值)都還比較大；對比方案2和方案3，由于方案3增加了兩臺泵之間的管線柔性，使得各自管口的FZ值又減小了很多。方案4是對方案3的進(jìn)一步優(yōu)化，調(diào)轉(zhuǎn)了泵與泵之間管線補(bǔ)償?shù)姆较?，使得泵管口的MZ扭矩得到了改善。最終的方案見圖4，相比方案3，方案4在保證柔性的前提下，簡化了塔與泵之間的補(bǔ)償，并在靠近管口的彎頭處增加了彈簧支架。

表2 各方案下泵入口荷載比較

3.2 泵出口管線

配管工程師提供的泵出口配管方案見圖5，管口荷載見表3，其中限定值為API610規(guī)定值的2倍。對比計(jì)算值和限定值可知，該方案的管口受力和力矩均在限定值范圍內(nèi)，符合荷載要求。

圖4 最終方案

圖5 出口管線配管方案

表3 泵出口荷載

3.3 泵進(jìn)出管口整體校核

整體校核通過CAESARⅡ的API610模塊進(jìn)行，需要注意的是，當(dāng)模型坐標(biāo)系與API610里的坐標(biāo)系不一致時(shí)，需要對坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這里不再贅述，計(jì)算結(jié)果見表4。該表與第1節(jié)所列方程式(1)～(5)對應(yīng)。計(jì)算值為方程式左邊計(jì)算結(jié)果，系數(shù)或限制值為方程式右邊計(jì)算結(jié)果。方程式成立則校核結(jié)果為Passed?？梢钥闯龈黜?xiàng)校核結(jié)果都為Passed，因此整體校核為Passed。

4 結(jié)語

泵進(jìn)出管線，特別是進(jìn)口管線的配管設(shè)計(jì)，一直是應(yīng)力分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)。配管工程師在初選配管方案時(shí)，應(yīng)充分考慮管道的柔性，同時(shí)要為管道支架的設(shè)置留足空間，以避免后續(xù)修改管道走向時(shí)，出現(xiàn)空間不夠或與周邊其他管道發(fā)生碰撞的情況。這樣可以一定程度上減少后續(xù)修改管道走向時(shí)的工作量。應(yīng)力工程師在做應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)充分理解管口所受力和力矩的產(chǎn)生根源，對在哪個(gè)位置增加管線補(bǔ)償和在哪個(gè)位置設(shè)置何種支架做到心中有數(shù)。在保證應(yīng)力及荷載指標(biāo)符合要求的情況下，應(yīng)使配管更加簡潔和經(jīng)濟(jì)。今后如遇到相似案例，文中的最終方案可作為典型配管方案為配管工程師提供參照。另外，文中的整個(gè)分析優(yōu)化過程也可為應(yīng)力工程師提供分析思路。

表4 整體校核結(jié)果