蛇形管組管子應(yīng)力分析及固定方式優(yōu)化

金 姍,臧平偉

1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611731

2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001

0 引言

某順酐裝置采用正丁烷法制順酐,其生產(chǎn)工藝流程為：原料混合氣在反應(yīng)器中,經(jīng)過催化劑的作用生成順酐。高溫酐氣先經(jīng)過氣體冷卻器降溫,再經(jīng)過冷卻形成粗酐液體,最后經(jīng)過后續(xù)精制系統(tǒng),獲得產(chǎn)品精酐。在此項(xiàng)目中,氣體冷卻器采用兩級組合式冷卻器,結(jié)構(gòu)上與煙道式余熱鍋爐類似,冷卻器整體為箱型立式一體化換熱裝置,反應(yīng)氣通道為矩形截面,內(nèi)部布置兩級冷卻受熱面：一級冷卻器、二級冷卻器。上述兩級冷卻器在箱型一體式換熱裝置內(nèi)自下而上布置,各級冷卻器換熱管均為光管式蛇形管組。對于蛇形管的固定支撐方式,有文獻(xiàn)設(shè)置為管與管之間為固定卡塊,支撐板支撐在前后墻上[1],但是該支撐結(jié)構(gòu)易造成運(yùn)行中受力過載,使過熱器變形嚴(yán)重,進(jìn)而撕裂。本文對蛇形管組的原固定支撐方式進(jìn)行了改進(jìn),針對原固定方式和新型固定支撐方式,用Pipepak軟件對不同固定支撐方式下的管道分別進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,在項(xiàng)目中選用新型固定支撐方式——吊掛式。該固定方式能夠有效減小管道的應(yīng)力,保證設(shè)備和系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

1 蛇形管在冷卻器中的運(yùn)行條件

1.1 運(yùn)行條件及管道規(guī)格

本文以某順酐裝置為依托進(jìn)行研究,其中氣體冷卻器采用兩級組合式冷卻器,440 ℃反應(yīng)氣自組合式冷卻器底部進(jìn)入,依次經(jīng)過一級和二級冷卻器的蛇形管組,初步冷卻后的反應(yīng)氣進(jìn)入到后續(xù)冷卻工序,鍋爐給水通過連接管進(jìn)入集箱再分配給各蛇形管,與高溫反應(yīng)器進(jìn)行換熱,其中本文計(jì)算的二級冷卻器蛇形管,循環(huán)水受熱后變成氣水混合物通過上集箱、上升管引至汽包進(jìn)行氣水分離,分離出的水繼續(xù)參與循環(huán),飽和蒸汽通過蒸汽引出管通往界區(qū)。蛇形管的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 蛇形管運(yùn)行技術(shù)參數(shù)

連接管中設(shè)置有彎頭標(biāo)準(zhǔn)件,其尺寸按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12459—2017[2]進(jìn)行選取。

1.2 蛇形管組的布置

蛇形管組通過上集箱與下集箱連接,由多組蛇形管組組成,2種蛇形管組交替布置,每組蛇形管組由多條水路管道排布組成,單組蛇形管組布置見圖1。

圖1 蛇形管組布置

2 蛇形管組的2種固定支撐方式

對于此種蛇形管管屏,本文中選用了2種固定支撐方式進(jìn)行比較,2種固定支撐方式不同,應(yīng)力計(jì)算的邊界條件則不相同。同樣選取最外側(cè)一個(gè)蛇形管為例,進(jìn)行不同邊界條件的選取。

2.1 第1種固定支撐方式

第1種蛇形管屏的固定支撐方式為在相鄰管道之間設(shè)置固定卡塊,在蛇形管的彎管與外壁之間設(shè)置支撐裝置(A2、A3處),蛇形管組的重量載荷利用2處固定點(diǎn)傳遞到殼體外壁上,本文稱之為“掛壁式”,見圖2。

2.2 第2種固定支撐方式

第2種蛇形管屏的固定支撐方式為每個(gè)管屏設(shè)置2個(gè)管夾,管夾整體吊掛在殼體頂部,與殼體外壁不進(jìn)行接觸,稱為“吊掛式”,見圖3。

圖3 “吊掛式”蛇形管組固定支撐方式

2.3 應(yīng)力計(jì)算臨界點(diǎn)設(shè)置

同樣對于最外側(cè)一條管道,圖2和圖3中所示虛線管道,對于不同的2種固定支撐方式,應(yīng)力計(jì)算時(shí)選用的臨界點(diǎn)也不一樣。

2.3.1 “掛壁式”固定支撐方式

“掛壁式”固定支撐方式主要有4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),分別設(shè)置為A1、A2、A3、A4,此4個(gè)固定點(diǎn)隨著溫度的變化,與殼體一起進(jìn)行熱膨脹,計(jì)算出熱位移見表2,其中x方向?yàn)橄蛴?y方向?yàn)橄蛏?z方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蛲狻?/p>

表2 “掛壁式”固定支撐關(guān)鍵點(diǎn)熱位移 單位：mm

管屏上的管夾處,受到整個(gè)管屏的重力。計(jì)算得出每個(gè)管夾節(jié)點(diǎn)處受力為951 N,方向?yàn)?y方向。

2.3.2 “吊掛式”固定支撐方式

“吊掛式”固定支撐方式主要有7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),分別設(shè)置為A1～A7,此7個(gè)固定點(diǎn)隨著溫度的升高,與殼體一起進(jìn)行熱膨脹,計(jì)算出熱位移見表3。其中x方向?yàn)橄蛴?y方向?yàn)橄蛏?z方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蛲狻?/p>

表3 “吊掛式”固定支撐關(guān)鍵點(diǎn)熱位移 單位：mm

3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

用PipePak應(yīng)力計(jì)算軟件對2種固定支撐方式的蛇形管道分別進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。該計(jì)算軟件操作方便、界面簡潔、適用于多種行業(yè),計(jì)算快速、結(jié)果可靠,是應(yīng)用較廣泛的管道應(yīng)力分析軟件之一。軟件基于一系列管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),其中包括：ASME B31.1[3],ASME B31.3[4],ASME B31.4[5],ASME B31.8[6]等。在軟件中建立2種布置管道模型,輸入管道計(jì)算條件,進(jìn)行計(jì)算分析。

管道的應(yīng)力種類分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力是指因壓力或重力等外加載荷而產(chǎn)生的應(yīng)力;二次應(yīng)力是指管道由于受到溫度變化產(chǎn)生的熱脹冷縮或者其他位移受到約束而發(fā)生的應(yīng)力;峰值應(yīng)力指管道局部熱應(yīng)力或者局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的共同影響疊加到一次應(yīng)力和二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量。本計(jì)算模型中,管道的材料、規(guī)格都相同,從計(jì)算結(jié)果看,2種固定支撐不同的管道的差異較大的為一次應(yīng)力,所以針對一次應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 “掛壁式”固定支撐方式的蛇形管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

“掛壁式”固定支撐方式的蛇形管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4,計(jì)算結(jié)果顯示,應(yīng)力最大點(diǎn)為圖4中Max處。

圖4 “掛壁式”固定支撐方式的蛇形管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

整個(gè)蛇形管依靠A2、A3兩點(diǎn)掛在外部殼體上,由于受到管道自身重力的原因,遠(yuǎn)離固定點(diǎn)位置彎頭處的管道變形量非常大,如圖5所示：Max處-y方向出現(xiàn)較大的變形量,導(dǎo)致圖4中Max點(diǎn)處有較大的應(yīng)力,應(yīng)力比超過了標(biāo)準(zhǔn)4.578倍,管系應(yīng)力計(jì)算不合格,所以此種固定方式是不可行的。在運(yùn)行過程中,管系受到較大的應(yīng)力,易產(chǎn)生故障,且較大的變形量會(huì)使管道與其周邊的其他零件產(chǎn)生碰撞,降低系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖5 “掛壁式”固定支撐方式的蛇形管應(yīng)力變形

3.2 “吊掛式”固定支撐方式的蛇形管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

“吊掛式”固定支撐方式的蛇形管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖6,整個(gè)蛇形管通過A2～A6吊掛在殼體頂部,此種吊掛結(jié)構(gòu),對于管系的變形量得到了很好的控制(見圖7),變形量非常小,所以整個(gè)管系的應(yīng)力水平也明顯減小,根據(jù)結(jié)果可以得出管道應(yīng)力百分比為18.8%,滿足強(qiáng)度要求,管系應(yīng)力合格,且應(yīng)力變形情況滿足蛇形管的空間要求,避免與周圍其他零件產(chǎn)生碰撞,使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定和安全。

圖6 “吊掛式”固定支撐方式的蛇形管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖7 “吊掛式”固定支撐方式的蛇形管應(yīng)力變形

4 結(jié)論

根據(jù)對2種不同固定支撐方式的蛇形管的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出,“吊掛式”固定支撐方式是比較可靠的?！暗鯍焓健钡膽?yīng)力變形量最大只有1.5 mm,而“掛壁式”的應(yīng)力變形量達(dá)到36.5 mm,不管是管系的應(yīng)力比還是變形量,“吊掛式”都是優(yōu)選。在較早項(xiàng)目中,使用“掛壁式”固定方式,已經(jīng)發(fā)生管系變形、蛇形管組出現(xiàn)故障的事件。對于本順酐項(xiàng)目,利用“吊掛式”蛇形管的固定支撐方式,對設(shè)備的穩(wěn)定和安全,能夠起到重要作用。后續(xù)可根據(jù)上述計(jì)算結(jié)論,選取“吊掛式”固定支撐方式,保證項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可用性。