應(yīng)力分析在雙氧水裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

暢若星，李 洲，張 潔，王 磊

（黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南洛陽 471000）

隨著雙氧水生產(chǎn)裝置規(guī)模的不斷增加，進(jìn)出反應(yīng)器的高溫蒸汽管道、高揚(yáng)程離心泵的進(jìn)出口、渦輪膨脹機(jī)組進(jìn)出口等管道的設(shè)計(jì)參數(shù)不斷提高，管徑及壁厚也隨之加大，傳統(tǒng)的目測(cè)檢驗(yàn)法、簡(jiǎn)單分析法已無法滿足管道應(yīng)力分析的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。因此，在大型設(shè)計(jì)中，具體的量化工作就顯得愈發(fā)重要。

自20世紀(jì)80年代開始，國(guó)內(nèi)過氧化氫技術(shù)及工程化設(shè)計(jì)水平逐漸提高，雙氧水裝置單系列規(guī)模從年產(chǎn)千噸級(jí)逐步擴(kuò)大到年產(chǎn)40萬t 級(jí)?？v觀國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的小規(guī)模生產(chǎn)裝置，在滿足工藝技術(shù)要求的前提下，管道設(shè)計(jì)時(shí)往往側(cè)重于考慮成本因素，使裝置中的管線盡量地短、直；這些裝置中設(shè)備、管道尺寸相對(duì)較小，管道系統(tǒng)的應(yīng)力基本能夠滿足安全要求。隨著裝置規(guī)模的增大，設(shè)備、管道的應(yīng)力問題對(duì)裝置的安全性影響越來越大。近些年，業(yè)內(nèi)越來越重視體系的應(yīng)力分析問題，一些設(shè)計(jì)院及時(shí)增設(shè)管機(jī)專業(yè)，使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，并反饋調(diào)整設(shè)備布置、管道布置，為工程設(shè)計(jì)的安全保駕護(hù)航。

1 管道應(yīng)力分析

管道應(yīng)力是由多方面的因素誘導(dǎo)產(chǎn)生的，包括地震、自重、內(nèi)壓、支吊架反力等外因，以及自身熱脹冷縮、端點(diǎn)位移等造成的變形[1]，同時(shí)，不同因素對(duì)管道造成的應(yīng)力形態(tài)也是不同且復(fù)雜的，均可影響化工管道的整體性能以及化工生產(chǎn)的安全性，因此，管道的應(yīng)力問題在設(shè)計(jì)過程中尤為重要。利用管道的應(yīng)力分析，核算在不同類型載荷時(shí)，管道承受的力、彎矩、應(yīng)力等，對(duì)安全性做出評(píng)價(jià)，保證管道布置在滿足工藝管道流程圖（PID）要求的同時(shí)，做到經(jīng)濟(jì)合理同時(shí)安全可靠。

管道的應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力[2]。一次應(yīng)力[3]是指由外力荷載引起的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力，它們是非自限性的。當(dāng)超過某一極限時(shí)，管道將會(huì)發(fā)生整體變形，直至破壞。因此，在布置管道時(shí)，有必要留出適當(dāng)?shù)挠嗔?，防止過度的塑性變形。二次應(yīng)力[4]是指管道在受到例如溫度載荷或者結(jié)構(gòu)的總體幾何、材料等的不連續(xù)所產(chǎn)生的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力，具有自限性；與一次應(yīng)力相同，由二次應(yīng)力產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力隨著管道的啟、停對(duì)管道呈現(xiàn)反復(fù)交變的作用。峰值應(yīng)力[5]是指管道或管道附件由于局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)或局部熱應(yīng)力的影響而產(chǎn)生的附加于一、二次應(yīng)力的應(yīng)力增量，其特征是不會(huì)引起很明顯的變形，卻是疲勞和脆性斷裂的根源。因此，流體的溫度壓力、管道的管徑壁厚、管道的支吊架跨距、承受的荷載以及補(bǔ)償器的形式等都會(huì)影響管道的應(yīng)力結(jié)果。

一般來講，管道應(yīng)力分析的主要任務(wù)是對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析，包括應(yīng)力計(jì)算[6]。在傳統(tǒng)的計(jì)算方法中，當(dāng)管道上兩個(gè)固定點(diǎn)的距離較近時(shí)，基本可不考慮管道的應(yīng)力；對(duì)固定點(diǎn)相距較遠(yuǎn)的管道，可通過改變管道走向、選用合適的補(bǔ)償器等方法消除一定的管道應(yīng)力。這種單元法或估算法的計(jì)算結(jié)果精度較差，主觀因素成分多。為保險(xiǎn)起見，通常會(huì)放大安全系數(shù)，增加安全可靠性，但同時(shí)會(huì)造成浪費(fèi)，帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)，已逐漸被淘汰。

目前，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了一批管道設(shè)計(jì)專用的應(yīng)力分析程序，這些管道分析軟件可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，且計(jì)算結(jié)果精確、效率高。通過模擬整個(gè)管道系統(tǒng)在不同工況下的受力，形成三維圖和計(jì)算書，直觀清楚，使管道設(shè)計(jì)人員可掌握各種生產(chǎn)工況下，管系各處的受力情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的安全隱患。同時(shí)可對(duì)管道的振動(dòng)頻率進(jìn)行分析確定，錯(cuò)開激振頻率，避免產(chǎn)生共振，保證整個(gè)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。管道應(yīng)力分析軟件能模擬出管系在各種極端工況下的受力，配管人員可以依據(jù)模擬結(jié)果和數(shù)據(jù)選出合理的管道走向，確定合適的管道支吊架，選擇合適的補(bǔ)償器，以減少管道投資；土建專業(yè)和設(shè)備專業(yè)也可以得到精確的管道反推力數(shù)據(jù)，從而合理確定各自的設(shè)計(jì)依據(jù)，在保證安全的情況下，最大化地節(jié)省工程總投資。

2 管道應(yīng)力分析軟件

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，研究人員研發(fā)了一批管道應(yīng)力分析軟件，其中一些軟件經(jīng)過用戶的反饋，不斷改進(jìn)和升級(jí)，可以較切實(shí)地模擬管道在不同工況下的應(yīng)力，使用的方便程度也日益增進(jìn)，已然成為設(shè)計(jì)人員認(rèn)可的管道應(yīng)力分析軟件，得到廣泛應(yīng)用。目前，常用的管道應(yīng)力分析軟件[1]有：美國(guó)COADE 公司的Caesar Ⅱ、美國(guó)AEC 集團(tuán)公司的CADpipe，美國(guó)AAA 公司的Triflex 等。以Caesar Ⅱ軟件為例，軟件的程序簡(jiǎn)單，功能相對(duì)完整，且操作并不復(fù)雜，使用方便快捷。Caesar Ⅱ軟件可以提供國(guó)際上通用的管道設(shè)計(jì)規(guī)范，交互式數(shù)據(jù)輸入圖形輸出，進(jìn)行管道的靜、動(dòng)態(tài)分析，可模擬計(jì)算管道的一、二次應(yīng)力、彈簧支吊架的規(guī)格（如有）、管道每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移、振動(dòng)頻率等；還能提供設(shè)備管口、法蘭受力的校核軟件，被廣泛應(yīng)用。Caesar Ⅱ軟件解決的問題主要包括如下[2]。

1）計(jì)算管道各處的應(yīng)力水平，使其符合規(guī)范允許；

2）計(jì)算與設(shè)備相連的管口載荷，使符合制造商或公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)（如NEMASM233，API6104，AP16175等標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定的受力條件；

3）計(jì)算與管道相連的設(shè)備處局部應(yīng)力，使其保持在第八部分許用應(yīng)力范圍內(nèi)；

4）計(jì)算各約束處所受的載荷；

5）確定各工況下的管道位移；

6）解決如機(jī)械振動(dòng)、地震、水錘、加壓閥泄放等管道的動(dòng)力學(xué)問題；

7）通過以上模擬計(jì)算，幫助管道設(shè)計(jì)人員對(duì)管系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)力計(jì)算和模擬結(jié)果，在滿足工藝要求的前提下，配管人員對(duì)管道的走向、支撐做出調(diào)整，減小或消除管道的應(yīng)力問題，確保管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的靈活性。當(dāng)設(shè)備布置或其他因素造成管道系統(tǒng)的幾何形狀受到限制，管道自身的補(bǔ)償能力不能滿足安全生產(chǎn)要求時(shí)，首選采用自然補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q管道柔性不足的問題；當(dāng)安裝空間狹小，不具備自然補(bǔ)償條件時(shí)，可根據(jù)工藝條件及防腐等要求選用金屬膨脹節(jié)，如氫化液泵、氧化液泵、循環(huán)工作液泵等動(dòng)設(shè)備，其進(jìn)出口管道管徑大、容易產(chǎn)生振動(dòng)，且源于設(shè)備布置的因素，在設(shè)計(jì)中采用進(jìn)口管道增加金屬膨脹節(jié)的方式，出口管道采用改變管道走向和增加彈簧支架相結(jié)合的方法，消除液體流動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力，使管道對(duì)設(shè)備的附加荷載滿足設(shè)計(jì)要求，降低投資成本。

3 雙氧水裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析

隨著雙氧水裝置規(guī)模的不斷增加，管道的應(yīng)力問題在設(shè)計(jì)過程中變得尤為重要。在設(shè)備布置和管道布置的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合雙氧水裝置的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和三維管道模型，對(duì)進(jìn)出反應(yīng)器的高溫蒸汽管道、與泵的進(jìn)出口連接且公稱管徑大于或等于100 mm 的管道、公稱管徑大于或等于400 mm 充滿液體的管線、氣液兩相流管道、氧化尾氣處理工段大于或等于400 mm的氣體管道，設(shè)計(jì)時(shí)利用應(yīng)力分析軟件對(duì)管道進(jìn)行模擬計(jì)算，判斷管道走向?qū)艿缿?yīng)力產(chǎn)生的影響，合理判斷管道的走向及選取管道支吊架的位置，取得了較好的效果，使管道的設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠。

本文結(jié)合某15萬t/a 過氧化氫項(xiàng)目復(fù)雜管系的應(yīng)力分析，重點(diǎn)對(duì)下述兩種類型管道的應(yīng)力消除措施舉例分析。

3.1 蒸汽透平管系應(yīng)力消除設(shè)計(jì)

對(duì)于蒸汽透平管系而言，介質(zhì)溫度較高，會(huì)造成其操作溫度遠(yuǎn)超于安裝溫度。而在影響管道應(yīng)力的一系列因素中，溫度的影響相對(duì)而言最為明顯。溫度的升高會(huì)降低管道的許用應(yīng)力值，管道產(chǎn)生較大的熱膨脹，也會(huì)相應(yīng)增大固定點(diǎn)上的二次應(yīng)力和推力；當(dāng)管道的彎曲半徑增大時(shí)，管道的柔性增大，二次應(yīng)力減小，但固定點(diǎn)處卻增大；這就造成管道在運(yùn)行時(shí)因熱脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力反作用于透平機(jī)管口，產(chǎn)生明顯的應(yīng)力。

該項(xiàng)目中，蒸汽透平管系溫度達(dá)到460℃、壓力為4 MPa，在操作工況下管道熱膨脹大，受力非常復(fù)雜。且蒸汽透平對(duì)進(jìn)出口管口載荷要求非常嚴(yán)，對(duì)管口要求受力不超過3 000 N，外力矩不超過4 000 N·m。管道走向布置不當(dāng)、支吊架設(shè)置不合理都會(huì)造成管道對(duì)透平載荷超標(biāo)，留下安全隱患，無法滿足透平長(zhǎng)期穩(wěn)定低噪聲安全運(yùn)行。此類高溫高壓管道具有很大的危險(xiǎn)性，設(shè)計(jì)時(shí)采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)此類管道做了詳細(xì)的應(yīng)力分析計(jì)算，結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)管道走向做出了合理的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在管口附件設(shè)置管道U 彎，并調(diào)整固定架及導(dǎo)向架，選擇不同的彈簧支吊架及其位置，使管道與透平本體熱膨脹同步，解決受力與熱膨脹的矛盾，做出了滿足透平管口載荷要求的較經(jīng)濟(jì)方案，如圖1所示。

圖1 蒸汽透平機(jī)進(jìn)出口管道走向設(shè)計(jì)

3.2 塔設(shè)備相連管道的應(yīng)力消除設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目中，與主要塔相連的管系因?yàn)橹睆酱?，工況復(fù)雜，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)采用以往裝置中的配管方法會(huì)造成多處應(yīng)力超標(biāo)，造成安全隱患。尤其是氫化塔，不僅連接有催化劑再生用的高溫蒸汽管線，兩根主要垂直管道從上部直通下部，而中間多處與塔相連，造成約束點(diǎn)眾多，管道與塔本體熱膨脹不同步，相互影響較大，管道與塔的應(yīng)力都超出許用應(yīng)力，塔和管道的薄弱處會(huì)變形撕裂。

管道配管時(shí)，著重對(duì)此類管道做了詳細(xì)的應(yīng)力分析計(jì)算，通過將塔與管道一同進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)管道走向做出了合理設(shè)計(jì)。通過分析，確定了在垂直管道支管進(jìn)塔前設(shè)置彎頭，增大力臂，在塔上設(shè)置固定架及導(dǎo)向架，加厚部分塔壁，在管道接近地面轉(zhuǎn)平行管道上設(shè)置膨脹節(jié)等多種方法，使塔和管道各處應(yīng)力值滿足要求。

4 結(jié)束語

通過應(yīng)力分析對(duì)管系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從新近設(shè)計(jì)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和業(yè)主的反饋可知，裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)情況有了很大改觀：與設(shè)備相連接管道的振動(dòng)明顯減小，氣體或液體流動(dòng)的噪聲值降低，消除了應(yīng)力超標(biāo)帶來的安全隱患，使裝置的安全性極大提高，同時(shí)也延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。