高溫泵的配管及應(yīng)力計算

劉 宗 旭

（中國石油工程建設(shè)公司 大連設(shè)計分公司，遼寧 大連 116085）

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高溫泵的配管及應(yīng)力計算

劉 宗 旭

（中國石油工程建設(shè)公司 大連設(shè)計分公司，遼寧 大連 116085）

在管道設(shè)計中我們還經(jīng)常遇到高溫、高壓機泵的管道布置，較高的溫度使管道產(chǎn)生了較大的二次應(yīng)力，同時對設(shè)備管嘴也產(chǎn)生了較大的力和力矩，在管道布置時要著重考慮管道及管嘴的應(yīng)力計算。而針對多種工況下運行的多臺機泵組又要分別進行應(yīng)力計算，再統(tǒng)一考慮管系的補償及支撐。

高溫管道； 應(yīng)力計算； 管嘴約束力； 彈簧支吊架

泵是石油化工裝置中最重要也是最常用到工藝設(shè)備，泵的管道布置也是設(shè)計者再熟悉不過的內(nèi)容了。在管道設(shè)計中我們還經(jīng)常遇到高溫、高壓機泵的管道布置，較高的溫度使管道產(chǎn)生了較大的二次應(yīng)力，同時對設(shè)備管嘴也產(chǎn)生了較大的力和力矩，在管道布置時要著重考慮管道及管嘴的應(yīng)力計算。而針對多種工況下運行的多臺機泵組又要分別進行應(yīng)力計算，再統(tǒng)一考慮管系的補償及支撐。

本文結(jié)合秦皇島中石油燃料瀝青有限公司油漿綜合利用工業(yè)化試驗項目（以下簡稱秦皇島項目）中，對一組兩開一備共三臺機泵的管道布置和應(yīng)力計算，進行研究和分析［1，2］。

1　項目概況

本次秦皇島瀝青公司屬于試驗性擴能改造項目。其瀝青裝置原有的一組減壓塔塔底泵（P-110A/B），一開一備共兩臺機泵，現(xiàn)需增加一臺減底泵（P-110C）與原有兩臺泵組成兩開一備的工況（其中新增的P-110C常開）。原有泵管道拆除與新增泵統(tǒng)一規(guī)劃，并全部重新配管。

由于操作介質(zhì)為減壓塔塔底渣油，設(shè)計溫度300 ℃以上，為了保證管道和泵設(shè)備的安全運行，需采用CASEAR II軟件對這條管系進行應(yīng)力計算。

三臺泵出、入口管道操作條件如表1所示。

表1　管道應(yīng)力分析條件一覽表Table 1 List of pipe stress analysis conditions

2　泵管道布置及應(yīng)力計算

由于泵布置于原瀝青裝置泵房內(nèi)，管道布置受制于泵房內(nèi)空間限制，又因為是改造項目，新增管道涉及與管架原有管道銜接等問題，再綜合考慮操作、檢維修等因素，首先采取了如圖1中的三種常規(guī)的管道布置方案，即將三臺泵入口先匯成一支主線后與原主線連接。

圖1　方案1～3管道布置示意圖（圖中從左至右依次為泵P-110C、P-110B、P-110A）Fig.1 Plan1～3 piping general arrangement diagram（From left to right in the order is pump P-110C、P-110B、P-110A）

通過CASEAR II軟件對以上管系進行應(yīng)力計算，一次應(yīng)力（重力及其他外部持續(xù)荷載）小于管材需用應(yīng)力值，核算通過。但二次應(yīng)力（熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載）超過了管材許用應(yīng)力，二次應(yīng)力計算結(jié)果如表2所示。

表2　方案1～3管道二次應(yīng)力計算結(jié)果Table 2 Plan1～3 The secondary stress calculation results

圖2　方案4管道布置示意圖Fig.2 Plan 4 piping general arrangement diagram

由此可見，三臺泵入口匯成一支主線導(dǎo)致管系中最右側(cè)彎頭處二次應(yīng)力過大，需調(diào)整配管方式，將P-110A/B兩臺泵出口匯成一支線，再與P-110C出口匯成一支主線，并在關(guān)鍵節(jié)點處設(shè)置支吊架進行約束，如圖2所示。

再次進行計算可得，管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力都小于該設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力值，說明管道變形是可逆的，不會發(fā)生塑性變形，因此滿足應(yīng)力要求（表3）。

表3　方案4管道應(yīng)力計算結(jié)果Table 3 Plan 4 Pipe stress calculation results

3　泵管嘴約束力分析

由于泵廠家對泵管嘴所受力和力矩有嚴格的要求，在充分考慮管道柔性，滿足其一次應(yīng)力、二次應(yīng)力的情況下，還應(yīng)保證設(shè)備管嘴的力和力矩在要求范圍內(nèi)［1］，因此需對以上管道布置方案中P-110C的管嘴進行約束力計算分析（表4-5）。

表4　廠家提供的泵管嘴負荷［2］Table 4 Manufacturers provide pump mouth Allowable load

表5　方案4中P-110C泵管嘴受力結(jié)果Table 5 Plan4 P-110C pump mouth stress calculation results

由于泵管嘴負荷值較苛刻，所以通常采用廠家所提供管嘴負荷的2倍值來校核泵管嘴負荷。由計算結(jié)果可知方案四中管道對泵嘴的力矩超出了設(shè)備廠家要求的2倍，會導(dǎo)致機泵不能安全運行。其主要原因是我們增設(shè)的支吊架對管道的熱漲進行了約束，滿足了整個管系的一次、二次應(yīng)力要求，卻把大部分推力和力矩傳到了泵管嘴上，導(dǎo)致管嘴受力超標。

由于以上計算考慮三臺泵同時運行時的最苛刻工況，而實際操作中P-110A/B多數(shù)情況下為一開一備，因此在無法取消管系關(guān)鍵部位支吊架卻要設(shè)法降低泵管嘴處受力的情況下，就要按照正常工況運行時考慮并模擬計算。于是將P-110A管道溫度改為100 ℃，并重新對泵嘴受力進行核算，結(jié)果如（表6）。

表6　方案4中P-110C泵管嘴受力結(jié)果Table 6 Plan4 P-110C pump mouth stress calculation results

通過計算，在多數(shù)正常工況下，泵嘴受力滿足要求。即使出現(xiàn)極端工況，短時間也不會對機泵造成太大影響。

以上是對三臺泵入口管線應(yīng)力計算及管嘴受力計算及分析過程，泵出口管線計算方法同理。

4　彈簧支吊架選型

管系的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及管嘴的受力滿足要求后，需要通過位移分析來核算管道是否會對其吊架產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)角，或使某些承重支架脫空，并最終通過載荷及位移量確定彈簧支吊架的具體型號。通過位移計算得到的結(jié)果如表7所示。

表7　彈簧支吊架規(guī)格表Table 7　Spring Support Take-off

續(xù)表

5　結(jié) 論

（1）在溫度較高的管系中，管道要考慮足夠的柔性，通過自然補償吸收熱膨脹力，以此降低二次應(yīng)力值；

（2）泵管道的應(yīng)力計算要充分了解工藝流程，掌握可能存在的各種工況，靈活把握并選擇最合理的計算方式；

（3）彈簧支吊架不能單一根據(jù)軟件計算結(jié)果而定，應(yīng)參考計算出的載荷及位移，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況選取。

［1］ 張德姜，王懷義，劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊第一篇設(shè)計與計算［M］. 第三版.中國石化出版社，2007-01.

［2］ API 610 Centrifugal Pumps for Petroleum， Heavy Duty Chemical and Gas Industry Services［R］.

Piping Arrangement and Stress Calculation of High-temperature Pump

LIU Zong-xu
（China Petroleum Engineering Construction Company Dalian Design Branch，Liaoning Dalian 116085）

We often meet piping arrangement of high-temperature and high-pressure pump in pipe design. Higher temperature can make the pipe engender larger secondary stress. At the same time, equipment nozzle also has larger stress and moment of force. So we should think about the stress calculation of pipe and nozzle in the piping arrangement. We should also calculate the stress respectively for multiple conditions of many sets of machine pumps. And then the compensation and support of piping system should be considered.

high temperature pipe; stress calculation; nozzle constraint stress; spring hanger

E-mail：liuzongxu-dl@cpecc.com.cn。

TQ 051

A

1671-0460（2016）05-1020-03

2016-04-05

劉宗旭（1984-），男，遼寧省大連市人，工程師，2007年畢業(yè)于大連理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：石油化工管道設(shè)計。