王佳兵 徐義明 劉玉強(qiáng)

中國(guó)建筑南京醫(yī)藥化工設(shè)計(jì)研究院有限公司 南京 210005

轉(zhuǎn)油線在常減壓裝置中起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)是否安全、可靠，對(duì)裝置的正常運(yùn)行有著重要的影響。筆者利用管道應(yīng)力計(jì)算軟件CAESAR II對(duì)某公司100kt/a廢潤(rùn)滑油再生裝置減壓爐出口轉(zhuǎn)油線系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，得到較為滿意的結(jié)果。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

該裝置加工廢潤(rùn)滑油，年產(chǎn)量為100kt/a，因此該減壓爐轉(zhuǎn)油線與一般煉油廠的轉(zhuǎn)油線稍有不同，主要表現(xiàn)為減壓爐只有一路進(jìn)、出料，爐管出口口徑為DN250，通過兩次變徑，低速段口徑為DN500，接入減壓塔。設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)參數(shù)

該轉(zhuǎn)油線另一個(gè)特點(diǎn)是在加熱爐出口處，需要接一根停工時(shí)用于清焦的燒焦線。正常生產(chǎn)工況下，該燒焦線處于常溫(工況1)；在燒焦工況下，該燒焦線的操作溫度為200℃，而此時(shí)轉(zhuǎn)油線的溫度為常溫(工況2)。設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 燒焦線設(shè)計(jì)參數(shù)

2 模型的建立

2.1 靜力分析

在模型建立之前，需明確該轉(zhuǎn)油線靜力分析的任務(wù)。

(1)計(jì)算該轉(zhuǎn)油線的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力，并使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

(2)計(jì)算該轉(zhuǎn)油線對(duì)塔及加熱爐的作用力，并使之滿足規(guī)范的要求。

(3)計(jì)算管道對(duì)支吊架和土建結(jié)構(gòu)的作用力，為支吊架和土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(4)計(jì)算管道位移，防止位移過大造成支架脫落或管道碰撞，并為彈簧支吊架的選用提供依據(jù)。

2.2 建模要點(diǎn)

要完成上述任務(wù)，需正確隔離出力學(xué)分析體系，做出轉(zhuǎn)油線力學(xué)分析的模型，使解析結(jié)果不失真。其中最重要的是管線約束應(yīng)按實(shí)際情況定義各個(gè)方位的自由度[2]。模型建立的要點(diǎn)如下。

2.2.1 轉(zhuǎn)油線與加熱爐接口處的描述

(1)圖中節(jié)點(diǎn)280是爐出口管在爐頂蓋上的穿出點(diǎn)，爐頂蓋在該處可開一個(gè)適當(dāng)大的孔(孔的大小可根據(jù)計(jì)算的附加位移量確定)，爐管通過套管穿出孔，套管與爐管間為軟填料密封，且爐管通過筋板支撐在爐體上。因此，爐管在該點(diǎn)有正Y方向的約束，X、Z向間隙約束。

(2)圖中節(jié)點(diǎn)600和620是爐管下回彎點(diǎn)，其下端有一個(gè)懸浮的支托受固定在爐底的導(dǎo)向套管的約束，控制著爐管的擺動(dòng)度。因此，爐管在該點(diǎn)有X、Z向間隙約束。

(3)圖中節(jié)點(diǎn)80和190是爐管上回彎點(diǎn)，該點(diǎn)被固定在爐壁上的掛鉤支撐著，有正Y向的約束。

2.2.2 彈簧支吊架的位置

參考同類裝置轉(zhuǎn)油線，分別在彎頭處(節(jié)點(diǎn)335)和在低速段靠近塔嘴位置(節(jié)點(diǎn)370)各設(shè)置了一個(gè)彈簧支架。

2.2.3 轉(zhuǎn)油線與塔接口處的描述

(1)節(jié)點(diǎn)380～節(jié)點(diǎn)390為轉(zhuǎn)油線與入塔管嘴的連接法蘭。

(2)管嘴未采用WRC柔性管嘴描述，這樣，得到的力更為保守。

2.2.4 塔的描述

(1)節(jié)點(diǎn)520為塔的中心點(diǎn)，其到節(jié)點(diǎn)400單元模擬為長(zhǎng)度是塔半徑的無重量的剛性元件。

(2)節(jié)點(diǎn)520到節(jié)點(diǎn)530是入塔原料線中心至塔上部的封頭段。

(3)節(jié)點(diǎn)520點(diǎn)到510點(diǎn)是入塔原料線中心至塔下部的封頭段。

(4)510點(diǎn)到500為塔的裙座。

建立的模型見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)油線應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.3 工況組合

在管道應(yīng)力分析中，為了考察各種工況組合情況下的力、應(yīng)力和位移及按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求進(jìn)行應(yīng)力及受力校核，須進(jìn)行工況組合。該轉(zhuǎn)油線應(yīng)力分析中，工況組合見表3。

表3 轉(zhuǎn)油線應(yīng)力分析工況組合

注：W為管道自重(包括管道重、介質(zhì)重、保溫重和剛性元件重);WW為充水后管道重(包括管道重、充水重、保溫重和剛性元件重);T1為工況1溫度;T2為工況2溫度;P1為工況1壓力;P2為工況2壓力;HP 為水壓試驗(yàn)壓力;H為彈簧;CS為冷緊。

不難看出：L1、L2及L3為彈簧計(jì)算工況，L4為水壓試驗(yàn)工況，L5為工況1操作狀態(tài)，L6為工況2操作工況，L7為工況1安裝工況，L8為工況2安裝工況，L11為工況1的純熱態(tài)工況，L12為工況2的純熱態(tài)工況。

由于冷緊在施工過程中，彈簧一直起剛性支撐的作用，故這里增加了L9和L10兩個(gè)工況(彈簧定位銷未拆除，彈簧支架視作剛性支架)，進(jìn)行組合運(yùn)算得到L13，用以考察此種方式下的二次應(yīng)力。因?yàn)槔渚o施工完后，管線還要放置幾個(gè)月才開車，如果此時(shí)二次應(yīng)力很大，也是不合適的。

3 結(jié)果分析及解決方案

3.1 燒焦線的影響

計(jì)算初期，由于燒焦線缺乏柔性，計(jì)算結(jié)果顯示，節(jié)點(diǎn)310(三通處)，二次應(yīng)力超過許用應(yīng)力范圍。為此，與配管工程師商量，改變燒焦線管道的走向，且增加彈簧支架(節(jié)點(diǎn)310處)，提高其柔性(見圖1)。重新計(jì)算后，查看結(jié)果，一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均滿足要求。

3.2 冷緊

計(jì)算初期，轉(zhuǎn)油線未設(shè)置冷緊。計(jì)算后，查看L5:W+T1+P1+H工況下的restraint，得到減壓塔管嘴的受力，見表4(F/N, M/(N·m)，下同)。

表4 減壓塔管嘴作用力和力矩(冷緊前)

為了改善其受力，考慮在減壓塔管口處設(shè)置冷緊。冷緊雖然對(duì)改善一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的校核結(jié)果是沒有意義的，但它可以有效地減少操作狀態(tài)時(shí)管道對(duì)設(shè)備的作用力，同時(shí)可防止法蘭連接處受力過大而泄漏[1]。低速段水平管膨脹量約110mm, 冷緊有效系數(shù)取2/3，故冷緊量70mm。重新計(jì)算后，查看L5:W+T1+P1+H+CS工況下的restraint，結(jié)果見表5。

表5 減壓塔管嘴作用力和力矩(冷緊后)

可以發(fā)現(xiàn)FX、MZ大幅下降。經(jīng)設(shè)備專業(yè)校核，管口受力滿足要求。

3.3 爐管出口蓋板開孔尺寸

添加冷緊后，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，查看L7:W+P1+H+CS(SUS)及L9:W+P1+CS(SUS)工況下的restraint，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)280 的負(fù)X方向受力過大(該約束的存在，會(huì)限制冷緊的施工)。取消該約束后，得到在L7和L9工況下，該節(jié)點(diǎn)DX位移分別為-51mm和-54mm。造成該狀況的原因是爐管出口蓋板開孔時(shí)未考慮冷緊，負(fù)X方向的間隙僅為16mm。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示，冷緊后，在L5:W+T1+P1+H+CS工況下，即轉(zhuǎn)油線操作工況下，該點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)280)的正X方向位移為53mm，而廠家給出的間隙為106mm，數(shù)值偏大。通過與加熱爐廠家及時(shí)有效地溝通，綜合考慮冷緊施工及熱量防散失，將出口爐管的活動(dòng)板與套管間隙由-16mm/106mm改為-55mm/60mm。

3.4 加熱爐出口管嘴受力

加熱爐出口管嘴的力和力矩一直是加熱爐管線應(yīng)力分析關(guān)注的重點(diǎn)，API-560為此還有專門的論述，并對(duì)力和力矩提出了具體的要求[3]。API-560的數(shù)據(jù)偏保守，不過可以作為參考。為了得到該受力，采用了內(nèi)部約束。計(jì)算后，查看L5工況下節(jié)點(diǎn)295的restraint，結(jié)果見表6，部分值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于API-560所規(guī)定的數(shù)值。

表6 加熱爐出口管嘴作用力和力矩(調(diào)整前)

通過多方調(diào)試，終于找到問題的癥結(jié)。最后一根爐管底部導(dǎo)向管DX方向的間隙很小，為15mm。通過加大甚至取下該約束后，受力降了很多。該導(dǎo)向管的作用是防止?fàn)t管失穩(wěn)。為此，在與加熱爐廠家進(jìn)行深入溝通后，最終確定在不改變Z方向間隙的情況下(保證爐管不失穩(wěn))，加大負(fù)X方向的間隙至30mm, 正X方向的間隙至60mm。最終結(jié)果見表7。

表7 加熱爐出口管嘴作用力和力矩(調(diào)整后)

該數(shù)值返給加熱爐廠家，供其核算，且得到了廠家的認(rèn)可。

4 結(jié)語

(1)轉(zhuǎn)油線的應(yīng)力分析，較為復(fù)雜，尤其涉及到多工況、彈簧、冷緊共同存在的情況。正確建模后，須全面分析管線系統(tǒng)的工況，并在軟件中進(jìn)行荷載工況的編輯，這樣，才能全面分析及評(píng)價(jià)管線。

(2)是否需要冷緊以及冷緊量的大小，都應(yīng)通過具體的計(jì)算方能確定。

(3)在遇到相關(guān)問題時(shí)，如受力過大，應(yīng)力無法通過，應(yīng)仔細(xì)分析原因，找到問題的癥結(jié)，方能對(duì)癥下藥。

(4)應(yīng)力分析工程師應(yīng)提前介入重要管線的設(shè)計(jì)，并將計(jì)算結(jié)果返給相關(guān)專業(yè)，以免造成其返工，耽誤工期。

參 考 文 獻(xiàn)

1 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社,2003：1,86.

2 尹繼杰.常壓爐轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)應(yīng)力分析[J].煉油技術(shù),2002(1):35-38.

3 張德姜 王懷義 劉紹葉等.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè).(第一篇)[M].北京：中國(guó)石化出版社,2005:681.