聚乙烯裝置工業(yè)高壓管線設計及應力分析

葉 源

(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料部， 200540)

吳 勇

(華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237)

聚乙烯裝置工業(yè)高壓管線設計及應力分析

葉 源

(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料部， 200540)

吳 勇

(華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237)

某聚乙烯生產(chǎn)裝置長期在高溫、高壓條件下服役，為保證該管線安全高效運行，從理論計算入手，同時采用國際公認的管道應力分析軟件CAESARⅡ?qū)芫€進行應力分析，為高壓管線的設計提供整體結構強度依據(jù)。

聚乙烯 高壓管線 應力分析 CAESAR

隨著石油化工的發(fā)展，聚乙烯生產(chǎn)得到迅速發(fā)展，其生產(chǎn)方法有高壓法、低壓法和中壓法3種。某石化公司高壓聚乙烯裝置(簡稱1PE裝置)于1976年建成投產(chǎn)，采用日本三菱油化－德國BASF超高壓管式“E”法工藝技術，后經(jīng)兩次增量改造，在無大檢修情況時，產(chǎn)量90 kt/a，該裝置是目前國內(nèi)同類裝置中服役時間最長的［1］。由于管道材料在高溫、高壓下長期工作，為保證該管線長期穩(wěn)定、安全高效運行，對該管道進行理論計算與應力分析。文章主要分析管道組成件中管子的設計計算，并采用CAESAR軟件對管道系統(tǒng)進行應力分析，包括管道組成件的設計計算和管系柔性分析等多項內(nèi)容。

1 管線的理論計算

該1PE裝置管道的設計壓力P=35 MPa，設計溫度T=350℃，管內(nèi)介質(zhì)為乙烯氣，集管外徑Dw1=89 mm，支管外徑Dw2=60 mm。管道材料選用16Mn，在設計溫度下的許用應力［σ］t=133 MPa［2］。

高壓管道在只承受內(nèi)壓作用，且當δ0＜Dw/6時，其直管的計算厚度δ0可按式(1)計算:

設計厚度為計算厚度與厚度附加量(C)之和，厚度附加量包含腐蝕、沖蝕裕量(C2，取3 mm)和機械加工深度(C3，取 0．5 mm)［3］，即:

經(jīng)計算得，集管的設計厚度δ01=14.10 mm，支管的設計厚度 δ02=10.64 mm。按《GB/T 17395—2008無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》規(guī)定，集管壁厚取16 mm、支管壁厚取12 mm即可。每個管道系統(tǒng)還應進行壓力試驗以保證其承壓強度和密封性，因此在初次運行前還需進行水壓試驗。

2 高壓管道系統(tǒng)應力分析

管道應力分析應保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支撐或端點附加位移造成應力強度問題。管道應力分析主要驗算管道在內(nèi)壓、持續(xù)外載作用下的一次應力和由于熱脹、冷縮及其他位移受約束產(chǎn)生的二次應力，以判明所計算的管道是否安全、經(jīng)濟、合理;計算管道由于熱脹、冷縮及其他位移受約束和持續(xù)外載作用產(chǎn)生的對設備的推力和力矩，以判明是否在設備所能安全承受的范圍之內(nèi)。

一次應力(SUS)是指由機械外載荷引起的正應力和剪應力，它必須滿足外部和內(nèi)部的力和力矩的平衡法則。一次應力具有非自限性，它始終隨所加載荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或持久極限時，將使管道發(fā)生塑性破壞或總體變形，因此在管系的應力分析中，首先應使一次應力滿足許用應力值。二次應力(EXP)是指由于變形受到約束所產(chǎn)生的正應力或剪應力，它本身不直接與外力平衡。二次應力是自限性的，當局部屈服和產(chǎn)生少量塑性變形時，通過變形協(xié)調(diào)就能使應力降低。管道內(nèi)二次應力通常是由于位移載荷引起的(如熱膨脹、附加位移、安裝誤差、振動等)。

本設計采用專業(yè)管道應力分析軟件CAESARⅡ，它是以梁單元模型為基礎的有限元分析程序，可以用于分析大型管系、鋼結構、或者二者結合的模型，廣泛地應用于石油、石化、化工、電力、鋼鐵等行業(yè)。CAESARⅡ既能夠進行靜應力分析也能進行動應力分析;它不但可以根據(jù)ASME B31系列以及其他國際標準進行應力校核，還可以按照WRC、API、NEMA標準進行靜設備和動設備的受力校核［4］。

2.1 管道計算模型

計算管道的幾何模型如圖1和圖2。其中主(集)管尺寸為Ф89 mm×16 mm，支管尺寸為Ф60 mm×12 mm。根據(jù)設計方案，對計算管路出口端(連接高壓循環(huán)氣體分離器)進行了簡化處理，用一段長2 m的管子代替出口管路對計算管路的影響。整個計算模型中還包括以下管件:DN80帶頸法蘭2只、DN80法蘭蓋1只、DN50帶頸法蘭6只、閥門3只、DN50螺紋法蘭3只。

圖1 計算管道模型(俯視圖)

圖2 計算管道模型(左視圖)

2.2 節(jié)點及單元編號

對上述模型建模的過程中，須對整體劃分單元和節(jié)點，單元編號由程序根據(jù)節(jié)點的輸入順序自動完成。節(jié)點的編號須人工指定，具體編號見圖3。

圖3 模型節(jié)點編號

2.3 計算參數(shù)及邊界條件

管路設計壓力35 MPa，設計溫度350℃;由于介質(zhì)為乙烯氣，且管子內(nèi)徑不大，所以忽略介質(zhì)的重力;根據(jù)實際工況，不考慮保溫和動載荷等。如上述模型圖所示，根據(jù)實際條件進行簡化施加邊界條件。對于支管段與設備法蘭連接的螺紋法蘭端，即節(jié)點460、560、660三處施加固定約束;對閥門(單元 420－430、520－530、620－630)施加Y 以及導向(Guide，Gap=5.0 mm，Mu=0.3)的約束，在集管的出口法蘭端(節(jié)點900)處施加+Y和+X約束;對管道的末端施加固定約束。

2.4 計算結果及分析

一次應力工況為SUS，應力云圖見圖 4;二次應力工況為EXP，應力云圖見圖5。

查看應力分析報告可知，410節(jié)點的一次應力值最大，為38.87 MPa，16Mn材料在350℃下的許用應力為133.00 MPa;900節(jié)點二次應力值最大，為 94.01 MPa，許用應力為 381.26 MPa。900節(jié)點處在操作工況(OPE)下X向約束反力最大，F(xiàn)x=16 602 N，F(xiàn)y=0 N，合力 F=16 602 N。三個閥門支座Y方向上的反力最大為4 372 N。操作工況下，節(jié)點500的X向位移取得最大值，為5.805 mm;節(jié)點800的Y向位移取得最大值，為1.812 mm;節(jié)點699的Z向位移取得最大值，為1.686 mm;節(jié)點500的總體位移取得最大值，為6.040 mm。顯然，這都滿足設計要求和安全的。

圖4 一次應力云圖(按應力值劃分)

圖5 二次應力云圖(按應力值劃分)

3 結束語

(1)在壓力管道的設計中，管道壁厚十分關鍵，它會影響管系應力分布、施工等多個環(huán)節(jié)，因此要合理選擇，不能太薄，也不能太厚。

(2)管道應力分析可以輔助壓力管道布置設計，使分析結果滿足標準規(guī)范的要求，從而保證管道自身和與其相連的機器、設備等的安全，在壓力管道設計中起著重要作用。

(3)該高壓管路的設計滿足應力強度要求，也是安全可行的。

［1］ 郭文．高壓聚乙烯在役老裝置高能耗原因分析及對策［J］．石油化工技術與經(jīng)濟，2011，27(3):49－53．

［2］ 中華人民共和國國家標準．GB/T 20801．2—2006壓力管道規(guī)范工業(yè)管道(第2部分):材料［S］．北京:中國標準出版社，2006．

［3］ 中華人民共和國國家標準．GB/T 20801．3—2006壓力管道規(guī)范工業(yè)管道(第3部分):設計和計算［S］．北京:中國標準出版社，2006．

［4］ 唐永進．壓力管道應力分析［M］．北京:中國石化出版社，2003．

Design of Industrial High－Pressure Pipeline for PE Plant and its Stress Analysis

Ye Yuan
(Plastics Pivision，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)
Wu Yong
(School of Mechanical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237)

A PE plant has long been in service in conditions of high temperature and high pressure．In order to ensure the safe and high － efficient operation of pipelines，stress on the pipeline was analyzed based on theoretical calculation and with internationally recognized pipeline stress analysis software CAESAR II，so as to provide basis of integrated structure strength for design of high－pressure pipeline．

PE，high － pressure pipeline，stress analysis，CAESAR

1674－1099 (2012)05－0031－03

TU279.7+6

A

2012-07-31。

葉源，男，1976年出生，畢業(yè)于上海大學機械電子工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事設備管理工作。