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      空分設備冷箱內(nèi)管道設計研究

      2019-02-28 02:55:51王甲峰
      云南化工 2019年4期
      關(guān)鍵詞:管口空分校核

      王甲峰

      (液化空氣(杭州)有限公司,浙江 杭州 310012)

      進入21 世紀后,科技發(fā)展突飛猛進,大型煤化、冶金公司越來越多地采用更先進、更完善的大型空分設備。而其中冷箱內(nèi)壓力管道是該設備中必不可少的部分,與其它部件比較,壓力管道擁有更復雜的結(jié)構(gòu)。為更好地滿足相關(guān)企業(yè)越來越多元化、精細化的需求,更好地保障空分設備安全、穩(wěn)定地運行,冷箱內(nèi)中的管道設計也勢必要達到更高的設計水準。所以在設計階段就要嚴把質(zhì)量關(guān),以高要求來達到高水準。

      1 管道布置

      由于冷箱鋼結(jié)構(gòu)和面板多采用碳鋼材料,所以首先管道布置應與鋼結(jié)構(gòu)或面板留有一定的絕熱間隙。這樣既能保障管道不跑冷(即結(jié)霜),也不會導致碳鋼過冷而發(fā)生冷脆的嚴重后果。其次,管道需滿足一定的柔性,即滿足一次應力和二次應力。

      一次應力導致的斷裂破壞以及二次應力導致的疲勞斷裂破壞,是破壞管道強度的關(guān)鍵因素。在受到壓力、重力、其它外力載荷作用,一次應力得以形成,它必須和外力保持均衡態(tài)勢。它沒有自限性,隨著外部載荷的不斷增加,一次應力也在持續(xù)提升。如它大于材料本身的持久強度抑或屈服極限,管道塑性會受到損壞,或者整體發(fā)生變形。所以,管道布置時要充分考慮一次應力的因素,使其滿足材料許用應力的需要,保障管道正常工作。要立足于彈性理論來評定一次應力。也就是說,它不得超過材料自身的屈服極限,可以把安全系數(shù)引進來,進行準確的界定和計算。一般而言,通常情況下,空分工程限定管道中遭受的一次應力,不能超過冷箱內(nèi)管道材質(zhì)設計溫度下的許用應力。

      二次應力是相關(guān)物體發(fā)生變形時遭受限制而產(chǎn)生的一種應力,不能直接平衡外力。疲勞破壞是導致二次應力的主要因素,只要位移載荷或者變形的幅度比較小,未遭受反復加載,均無法破壞管道。在具體運行的過程中,低溫管道會出現(xiàn)一定收縮。假如管道缺乏良好的柔性,會限制其變形,最后管口處或管道上應力集中處就會產(chǎn)成較大的應力,從而破壞設備管嘴或者焊縫,甚至導致設備故障。因此在布置管道時,應該保證其柔性充足。一般而言,應該在冷箱內(nèi)加入彎頭,調(diào)整管道的具體走向,切實打造空間管系。由于空間管系中的單元變形的自由度比較大,在承受同樣載荷時,它更易于發(fā)生變形。在安裝過程中應該切實依據(jù)圖紙進行施工,以規(guī)避不必要的各種問題。我們應該立足于彈塑性理論來評定二次應力,依據(jù)ASMEB31.3 或者GB50316 的諸多校核條件,確保證材料在二次應力下處于安全態(tài)勢[1]。

      2 管道振動

      空分冷箱內(nèi)的管道振動受到了諸多工況的影響,如節(jié)流生成兩相流、低溫離心泵、透平膨脹機、都可能造成管道振動。通常情況下,低溫離心泵、透平膨脹機分別配備了金屬軟管或波紋膨脹節(jié),將轉(zhuǎn)動設備與管道以及有關(guān)設備隔離開,能夠降低管系振動的現(xiàn)象,保證管道生成的力不影響有關(guān)設備,以保護管系以及設備的穩(wěn)定性以及安全性。節(jié)流閥后產(chǎn)生的震動,是冷箱內(nèi)非常具有代表性的一種振動現(xiàn)象[2]。兩相流指的是,管內(nèi)流體存在著氣象、液相。由于雙方存在著較大的密度,流速也不一樣,所以管內(nèi)流體作用于管道的力不同,作用力持續(xù)變化,導致管道振動的問題。

      如從壓縮流程來看,高壓液空節(jié)流閥之前以及之后存在著較大的壓差,閥后存在一定氣化現(xiàn)象,生成兩相流,管道運行中振動幅度較大。假如管道的設計不合理,或是沒有設計牢靠的閥架,易于造成管道疲勞破壞,會在較大程度上威脅裝置的安全性。為削減振動,在布置管道的過程中,首先要確保管道的柔性,采用盡可能少的彎頭,閥后確保適當長度的直管段。其次在合適地方設置導向架和限位架,保證閥架設計充足的剛度,如確有必要,要配置相應的閥箱,以便于開展維修和檢測活動。

      在安裝閥架的過程中,焊接要牢靠,應該精準操作,按圖進行施工。ASMEB31.3 的相關(guān)規(guī)定指出,在設計管道時要盡可能地除掉振動造成的不利影響。切實提升系統(tǒng)設計水平,除掉結(jié)構(gòu)設計中可能造成振動的相關(guān)因素,不必詳細地進行振動分析。由于振動機理比較難以闡釋,不能準確地模擬實際條件,管道設計者要保證管道本身的充足柔性,重視管系剛度,如有必要,要加入相應的支架,切實除掉振動導致的不利影響[3]。

      3 設備接管

      如管道作用于靜設備的力度較大,設備可能會發(fā)生變形。假如局部應力過大,焊縫很可能開裂,造成泄漏事故,受力狀況要分析峰值應力、一次、二次應力;一次應力是受到載荷控制的相關(guān)應力,應該符合外力、內(nèi)力、力矩平衡的有關(guān)定律,其上限不得超過材料本身的許用應力。二次應力受制于變形因素,一般要先計算出器壁中壁厚方向受到的彎曲應力。在低于蠕變溫度的一定范圍時,二次應力、一次應力之間的組合應力,要處于二倍屈服應力或者安定極限的范圍內(nèi)。峰值應力非常集中,在開展疲勞分析的過程中,應該關(guān)注這個應力。在冷箱內(nèi)配管的過程中,通常情況下不關(guān)注峰值應力。包括塔器在內(nèi)的靜設備,在受到外載荷作用的情況下,通常情況下會采取WRC297 或WRC107 公報開展相應的校核工作。因為上述公報的詳細運用條件受到相應的限制,如有必要要進行相應的有限元分析。

      管嘴、動設備的具體受力狀況會影響設備運行的安全性以及可靠性,所以在設計過程中要開展詳細的受力分析,對管口受力進行校核,切實降低減管口受力。在分析離心泵管口等多種動設備的具體受力時,要參考API610 標準,標準中業(yè)已規(guī)定可以管口載荷,在管道布置時,應該確保進出口管道具有充足的柔性,以削減管道對泵管口處產(chǎn)生作用的力和力矩,此外要保證泵殼體即使變形后,也能夠滿足賣方設計準則,確保泵軸位移處在規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。膨脹機借鑒美國石油協(xié)會標準API617 制定的校核準則,校核管道在安裝、運行過程中的外加荷載。就API617的具體描述而言,膨脹機允許荷載校核涵蓋了三個重要部分:首先是單獨校核膨脹端單個出、進口以及膨脹機增壓端荷載合成的情況。其次是膨脹機的出口、進口荷載,要按照相應的參考位置組合后,實施總體性校核。再次,膨脹機出口、進口荷載組合后,應該單獨校核各個向分量。最難通過的是膨脹機中每個管口受力的總體性校核。所以,在計算過程中,要全方位把握各個管口的具體受力狀況,讓各個管口處的作用力彼此抵消。對膨脹機管道實施柔性分析的過程中,既要讓機器管口在操作狀態(tài)下的受力達到API617的相關(guān)規(guī)定,又應該在實際安裝管道時不要有額外應力作用于機器口。

      4 管架設計與安裝

      在設計管道的過程中,管架是非常關(guān)鍵的一個部分。設計者應非常重視管架設的設計和安裝,選擇正確的安裝位置和管架類型。沿著塔器布置的相關(guān)管道,應該在塔器上靠近管口的位置安裝它的承重支架,確保管道和設備口能夠同步收縮;在確保管道前后符合柔性要求的基礎上,在冷箱鋼結(jié)構(gòu)上閥門處也應設置承重支架。只有在設置了柔性彎時,才能在長直管段的兩端加固定支架[4]。為了滿足以重力為主的一次應力的要求,鑒于管道拖空的現(xiàn)象,要采取導向架或者托架。在對管道進行應力分析的過程中,應該對支架節(jié)點處的實際受力情況進行校核。有時候,雖然管道柔性符合應力的相關(guān)要求,但是支架節(jié)點受到的力比較大。如果選用的支架不夠強壯,易于發(fā)生變形或者遭受破壞,改變了管道受力的相關(guān)條件,管道很可能會失效,導致經(jīng)濟損失或者安全事故[5]。所以設計師要校核支架節(jié)點處的具體受力狀況,設計符合相關(guān)規(guī)定的支架型材。現(xiàn)場施工中應按圖紙要求選取正確的支架安裝位置,牢固地安裝及焊接支架。

      5 管道多工況條件

      在冷塔的過程中,空分裝置的程序要求可能會有先冷主塔后冷氬塔的情況,這時管道、精氬塔、粗氬塔都處在溫度較高的狀態(tài)下,而與其相連的主塔卻處在低溫狀態(tài),所以此時連接的管道受到兩端由于溫差而產(chǎn)生的影響,如果沒有進行合理的設計,管道上或者設備管口處會生成二次應力,對其正常工作造成不利影響。后果可能使用戶不得不暫?;蛘哐舆t開車。為避免該情況發(fā)生,應該結(jié)合具體的操作工況,合理地設計系統(tǒng)的管道,做好管道、設備布置。在確保管道一次應力滿足要求的條件下,讓管道在各種工況下均具備充足的柔性,確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

      6 優(yōu)化設計

      空分設備的不少管道事故通常情況下出現(xiàn)在停車復溫或者開車時積液冷卻時。從扒砂后的具體情況來看,不少管線已經(jīng)產(chǎn)生嚴重的變形,與剛開始安裝時的狀態(tài)完全兩樣,在復溫階段很難恢復到初始的安裝狀態(tài)。多次反復后,部分位置會產(chǎn)生疲勞或者位移過量的問題。為此要進行優(yōu)化設計,降低可能出現(xiàn)這種問題的各類管線變形的現(xiàn)象,恢復到安裝的初始狀態(tài),符合補償要求[6]。就管道安全運行而言,不提議對空分設備進行短暫停車以實施復溫處理的措施,避免損害它的管道。針對部分空分設備服役時間較長的問題,如需停車,應該對其實施冷備用操作,也就是說不加溫、只將低溫液體排出來。

      7 結(jié)語

      隨著空分設備體積日益大型化,科技進步迅猛,空分設備冷箱內(nèi)管道中越來越注重設計的安全性、高效性以及簡潔性。設計者應該敢于創(chuàng)新、改進和完善,提升設計水平。與此同時,應該重視冷箱內(nèi)管道設計的可靠性與安全性,確保這項隱蔽工程能夠長時間穩(wěn)定運行,更好地提升空分設備的運行質(zhì)量和效果。

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