富溶劑泵管線的應(yīng)力分析

(海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266061)

石油化工裝置中，各類(lèi)離心泵以其操作費(fèi)用省、維修量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。離心泵是回轉(zhuǎn)機(jī)械，是一種精密機(jī)械，一旦其受到的外力，超過(guò)許用值，泵本體就會(huì)發(fā)生形變，產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲，進(jìn)而燒毀或損壞軸承[1]。因此在泵的進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須充分考慮因熱脹引起的管道作用在泵管嘴處的力和力矩。本文中提及的應(yīng)力計(jì)算，均由CAESAR II完成。CAESAR Ⅱ是由INTERGRAPH公司開(kāi)發(fā)的管道應(yīng)力分析專(zhuān)業(yè)軟件，它被廣泛的應(yīng)用于石油、化工、電力、鋼鐵等領(lǐng)域[2]。通常，管道應(yīng)力分析包括管道柔性設(shè)計(jì)、靜力分析和動(dòng)力分析[3]。本文以某加氫裝置內(nèi)富溶劑泵為例，闡述泵進(jìn)出口管道的應(yīng)力計(jì)算，校核一次應(yīng)力、二次應(yīng)力，校核泵管嘴受力，以及管道固有頻率對(duì)振動(dòng)的影響[4]。

1 應(yīng)力分析建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)

圖1 富溶劑泵流程簡(jiǎn)圖

在汽油加氫裝置溶劑抽提單元中，富溶劑泵部分的流程為富溶劑由抽提蒸餾塔(C19601)塔底進(jìn)入富溶劑泵(P19603AB)升壓，然后進(jìn)入溶劑回收塔(C-19602)進(jìn)行溶劑回收，如圖1。

泵出入口管線參數(shù)如1所示。

表1 出入口管線參數(shù)表

注：該裝置中富溶劑泵的入口為DN100，出口為DN80，端進(jìn)頂出。

圖2 表2中力和力矩坐標(biāo)系(用于端進(jìn)頂出的臥式泵)

離心泵管嘴受力不應(yīng)超過(guò)制造廠提供的允許值。API-610(美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))有關(guān)于管嘴受力的規(guī)定是管嘴允許受力的最嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，制造廠可根據(jù)其實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，允許較大的受力[1]。本文中提及的富溶劑泵進(jìn)出口管嘴受力按照API610中對(duì)管嘴負(fù)荷表的2倍進(jìn)行校核，見(jiàn)圖2與表2[5]。

表2 管口負(fù)荷表

2 富溶劑泵管道系統(tǒng)應(yīng)力分析

2.1 管道系統(tǒng)模型

本文對(duì)流程圖中的管道作應(yīng)力分析，泵入口管道規(guī)格及參數(shù)見(jiàn)表1。本文中有P19603A/B兩臺(tái)泵，一開(kāi)一備。按實(shí)際配管規(guī)劃，在CAESAR II中建立的配管模型如圖3所示。

圖3 富溶劑泵應(yīng)力模型

2.2 模型應(yīng)力分析

在運(yùn)行模型以前，需要對(duì)模型進(jìn)行檢查并初步優(yōu)化。因泵出入口管線經(jīng)過(guò)管廊，并且都有固定點(diǎn)，因此泵入口管線固定點(diǎn)前的部分、泵出口管線固定點(diǎn)后的部分模型可以去掉。根據(jù)P&ID，P19603A/B為一開(kāi)一備，故需要設(shè)置兩種工況來(lái)模擬泵一開(kāi)一備的情況。

圖4 富溶劑泵優(yōu)化后應(yīng)力模型

在Caesar II運(yùn)行后，得出應(yīng)力計(jì)算報(bào)告如下：

①一次應(yīng)力比為16.1%，二次應(yīng)力比A開(kāi)B備工況下為13.8%，二次應(yīng)力比B開(kāi)A備工況下為25.0%，說(shuō)明管道系統(tǒng)有足夠的剛性和柔性。

②表3為泵管嘴操作態(tài)受力情況?？梢钥闯?，操作態(tài)備用泵入口Fb、mc不能滿(mǎn)足2倍API610管嘴受力的要求。偏大的原因主要是由于入口管線布置不合理，操作態(tài)X方向熱位移產(chǎn)生的軸向應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致。

③表4為操作態(tài)各支架應(yīng)力、力矩及位移。從表中可以看出，支架節(jié)點(diǎn)1160脫空，該管線管徑為Φ114.3×6.02，通過(guò)泵管嘴受力的分析可知，該處支架托空，對(duì)管嘴受力影響不大，該處支架可以刪除。

④表5為管道系統(tǒng)固有頻率。為防止管道系統(tǒng)固有頻率與激振頻率接近產(chǎn)生共振，破壞管道，故管道系統(tǒng)應(yīng)有足夠的剛性，來(lái)保證管道系統(tǒng)固有頻率大于5Hz。從表中可以看出管道系統(tǒng)有一處小于5Hz，需要增加導(dǎo)向或止推支架。因此該管道系統(tǒng)需要尋求更合理的布管方式與支架設(shè)置方式。

表3 泵管嘴受力情況

表4 各支架節(jié)點(diǎn)熱態(tài)應(yīng)力、力矩及位移

表4(續(xù))

表5 管道系統(tǒng)固有頻率

3 優(yōu)化后的富溶劑泵管道系統(tǒng)應(yīng)力分析

3.1 優(yōu)化后的管道系統(tǒng)模型

經(jīng)過(guò)管道系統(tǒng)以及泵管嘴的受力分析得出的優(yōu)化方向，本文對(duì)該管道系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后富溶劑泵應(yīng)力模型

3.2 優(yōu)化后模型的應(yīng)力分析

運(yùn)行該應(yīng)力模型，得到優(yōu)化后模型的應(yīng)力報(bào)告。主要分析結(jié)果如下：

①一次應(yīng)力比為16.0%；二次應(yīng)力比A開(kāi)B備工況下為21.7%， B開(kāi)A備工況下為17.4%；說(shuō)明優(yōu)化后的管道系統(tǒng)滿(mǎn)足管道柔性的要求，二次應(yīng)力分布比初始狀態(tài)更好。

②表6為管道系統(tǒng)模型優(yōu)化后富溶劑泵管嘴受力情況。

通過(guò)對(duì)初始模型的計(jì)算，泵入口管嘴受力不符合API610的要求。一開(kāi)一備情況下，都是fb方向力過(guò)高。通過(guò)研究管道走向，可以明顯看出，泵入口管道分布不均勻，而且固定點(diǎn)位置不合理，Z向熱脹導(dǎo)致的mb力矩過(guò)大。因此優(yōu)化方法是調(diào)整管線布置，盡量保持泵入口管線呈對(duì)稱(chēng)布置，固定點(diǎn)向Z軸正向移動(dòng)。通過(guò)表6可知，模型優(yōu)化后泵管嘴受力符合API610的要求。

③表7 管道系統(tǒng)模型優(yōu)化后管道系統(tǒng)固有頻率。管道系統(tǒng)固有頻率可以通過(guò)增加管道剛性來(lái)提升，但是管道剛性增加，必然會(huì)限制管道熱脹的方向，從而影響泵管嘴的受力。通過(guò)分析，管道系統(tǒng)固有頻率4.641Hz處為1150～1170段，振動(dòng)方向?yàn)閆方向。該段管道內(nèi)有一處支架，考慮設(shè)置導(dǎo)向支架，限制管道Z向的位移，提升剛性。因該處管段距離泵出口較近，為防止管線剛性太大影響泵管嘴受力，將導(dǎo)向間隙設(shè)置為3mm。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，管線優(yōu)化完全符合預(yù)期要求。

表6 管道系統(tǒng)模型優(yōu)化后泵管嘴口受力情況

表7 管道系統(tǒng)模型優(yōu)化后管道系統(tǒng)固有頻率

表8 管道系統(tǒng)模型優(yōu)化后各支架節(jié)點(diǎn)熱態(tài)應(yīng)力、力矩及位移

表8(續(xù))

④表8為管道系統(tǒng)模型優(yōu)化后各支架節(jié)點(diǎn)熱態(tài)應(yīng)力、力矩及位移。從表中可以看出，支架節(jié)點(diǎn)1160脫空，但為保證管道系統(tǒng)的固有頻率，該處設(shè)置導(dǎo)向支架，且支架受力在合理的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

對(duì)于該模型，難點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一是泵管嘴受力不符合API 610的要求；二是管道系統(tǒng)固有頻率小于5Hz。下面對(duì)該模型的計(jì)算，進(jìn)行總結(jié)：

(1)泵是精密設(shè)備，管嘴受力一旦超出許用范圍，不止會(huì)對(duì)泵體造成損傷，而且還可能損傷軸承。因此，管道布置時(shí)，在保證管道系統(tǒng)有足夠柔性的前提下，應(yīng)使泵進(jìn)出口管道最短，且進(jìn)出口管道盡量對(duì)稱(chēng)。

(2)通過(guò)CAESAR Ⅱ?qū)Σ煌贾梅桨傅墓艿老到y(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析，找出較優(yōu)的管道布置方案。通過(guò)調(diào)整管道布置方案，合理設(shè)置導(dǎo)向或者固定支架，在保證管道系統(tǒng)具有足夠柔性的前提下，減小管道系統(tǒng)對(duì)泵管嘴受力的影響。

(3)管道需要足夠的柔性，同時(shí)應(yīng)具有足夠的剛性，避免管道固有頻率與激振頻率接近產(chǎn)生共振，破壞管道。