空分装置冷箱内管道布置与应力计算要点

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摘 要：随着国家的经济发展，空气分离行业呈现出了快速发展的态势，装置越来越大型化，冷箱作为空分装置的核心单元，确保冷箱内的设备和管道能够正常工作是整套空分能够合格出氧的关键。本论文着重从冷箱内管道布置和应力分析方向着手，对冷箱内两相流管道布置、大直径薄壁管道应力分析、合理利用API617标准等提出一些建议和看法。

关键词：冷箱内管道 布置 应力计算 API617

一.引言

冷箱内管道绝大部分都是在-180℃左

右温度下工作的低温管道，冷箱内充填珠光砂进行绝热保冷。如果管道布置不合适或者应力计算不通过很容易造成装置开车不成功，严重的话还会导致管道撕裂，引起冷箱砂爆从而造成难以估量的损失。正是由于冷箱内管道在装置正常运行时候无法巡检，如果有问题也难以暴漏出来，而停车检修则需要冷箱扒砂结束才能开始，一是影响企业生产，二来检修费用也比较大。这样就显得冷箱内管道布置和应力计算在设计初期尤其重要，合理的管道布置和合格的应力分析是保证空分装置正常开车的重要条件。以下就冷箱内管道布置和应力计算提出一些看法和建议。

二.冷箱内管道布置

1两相流管道的特殊布置

空分冷箱内产生两相流的管线主要包括：下塔液空去上塔、下塔液氮去上塔、高压液空节流进下塔。两相流管道的布置主要考虑管道内介质的含气率要控制在一定范围，含气率的控制可以通过调整阀门的安装高度、液体的过冷度等来进行调节，必要的时候还需要增设气泵。由于装置在运行状况下，上塔和下塔在低温下要往下收缩。塔设备是往下收缩的，而液空、液氮、高压液空的调节阀是固定于冷箱骨架的，这就需要调节阀后去塔设备的水平管道宜布置成倾斜向上的，使得设备侧高于阀门侧，高差不能小于基于液氮、液氧、液空的设备管口计算出来的塔设备收缩量。

2避免板式换热器出现偏流

由于板式和管道流路的内部阻力不同造成并联板式的偏流问题，偏流量过大则会严重影响板式换热器的换热效率，影响整套装置的工艺指标。理想状态下，最好将板式的进出口管道布置成完全对称的，如果受冷箱空间的限制，可以选择进出口管道成U型布置。

3管道布置中的直管段要求

HG20549.5-1998《化工装置管道布置设

计技术规定》规定离心式压缩机进口至少要有2DN的直管段，而空分装置常用的透平膨胀机中CRYOSTAR厂家要求膨胀端出口、增压端进口至少有3DN的直管段，ATLAS厂家则要求在膨胀端出口至少要有4DN的直管段、增压端进口至少要有5DN的直管段，ACD厂家则要求膨胀端出口和增压端进口至少要有5DN的直管段。由于空分装置冷箱内空间有限，在安全阀管道布置中需要注意安全阀的直管段要求，HG20549.5-1998《化工装置管道布置设计技术规定》规定安全阀进口至少要有10DN的直管段。其他的诸如孔板流量计和调节阀的直管段要求可以参看相关标准的要求。

三.冷箱内管道应力计算

对于空分冷箱内管道应力计算可以使用

ASME B31.3标准采用CAESARⅡ进行应力分析。

CAESARⅡ是以结构力学为基础编制的，采用杆单元模型来进行模拟分析，而杆状元件的力学方程有如下假设：结构中杆状元件的变形都很小，各节点的位移不改变元件的形状，力和位移成线性关系，并符合胡克定律，各载荷在元件中引起的应力、应变、位移可以叠加。[1]以下就冷箱内管道的应力计算提出一些意见和办法。

1大直径薄壁管道的应力计算

由于CAESARⅡ默认管道为杆单元，而对于大直径薄壁管道由于刚性不足，在受力情况下容易产生椭圆化效应，尤其是对于三通和弯头处的影响更为明显，造成截面过大变形，这与CAESARⅡ基于结构力学杆状单元力学方程作出的假设相冲突，由此CAESARⅡ计算出来的局部应力增强系数和柔性系数和实际相比有很大出入。

在ASME B31.3附录D 表300中给出了柔性系数和应力增大系数的计算方法，但是在附录D 表300注（1）则说明：表D300中的应力增强系数和柔性系数适用于缺少更直接的应用数据的情况下，对于D/，已证实是有效的。同时附录D 表300注（7）则说明：对于直径大、管壁薄的弯头和弯管，压力会明显的影响应力增强系数i柔性系数k。因此，将表中的值修正如下：

对于k除以 式（1）

对于i除以 式（2）

P―设计压力，单位为MPa

E―弹性模量，单位为MPa

r2―主管平均半径

R1―焊接弯头或弯管弯曲半径

―对于弯头和斜接弯头为管件的名义厚度，对于三通为主管名义厚度

（1）如果大直径薄壁直管的椭圆化效应可以忽略，则可以通过FE/PIPE对大直径薄壁弯头弯管和三通进行计算，也可以利用式（1）、式（2）对大直径薄壁弯头弯管进行计算。将计算得到的应力增大系数和柔性系数输入至CAESARⅡ再进行管道应力计算即可得到正确的分析结果。

（2）如果大直径薄壁直管的椭圆化效应不可忽略，笔者认为可以采用专业的有限元分析软件（如ANSYS）进行应力分析评定。

2如何合理利用API617标准校核透平膨胀机

由于膨胀机转速高，如果管道作用于膨胀机管口的载荷过大，将会造成机器转子的不对中，引起机器磨损和振动，所以对于空分用透平膨胀机必须按照API617或者NEMA SM23等相关标准来校核管嘴荷载是否满足设计要求。

合理的管道设计是管道布置人员需要考虑的问题，合理利用限位支架、固定架、弹簧吊架的作用可以很好的改善管端受力情况。另一方面还要考虑机器的管口初始位移，如果制造商没有提供，还需要要求制造商提供。

对于空分装置的透平膨胀机而言，有时会出现机器转轴的中心线方向上增压端进口管径和膨胀端出口管径一致的情形，而API617并未对此种情况作出明确的说明，也就是说当出现最大管口有多个的情形下，对于各管口的推力和推力矩具体向那个管口等效转换API617并没有作出明确的说明。根据笔者的分析经验，我们可以考虑采取对设计更有利的校核方式，假如增压端推力矩小，推力大而膨胀端推力矩大，推力小，此时最适宜的等效转换就是把各管口的推力和推力矩向增压端等效转换。

四.结束语

冷箱内管道设计必须严格，考虑管道介质的特性采取合适的布置方式，在给设备和机器配管的时候应注意满足相关规范的布置要求。对与敏感设备和敏感机械相连接的管道还必须按照相关标准进行许用载荷的校核，合理利用API标准选择对设计最有利的校核方法。对超出CAESARⅡ分析范围的管道采取辅助分析的方式进行。

参考文献

[1]岳进才.压力管道技术.北京：中国石化出版社.2009：196.

[2]HG 20549.5-1998. 化工装置管道布置设计技术规定.

[3]ASME B31.3. Process Piping.

[4]API 617. 石油及化工和气体工业用离心压缩机.

[5]张行东.空分装置两相流计算方法介绍.中国高新技术企业，2013：81-82.

[6]方立.用CAESARⅡ软件进行管道应力计算的几个问题探讨.化工设备与管道，2004：40-43.

作者简介： 李超（1985-），男，汉族，本科，毕业于中国矿业大学过程装备与控制工程，助理工程师，主要负责空分装置冷箱内管道布置和应力分析。