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    空分裝置分子篩管系多工況應力分析

    2020-08-27 07:24:04
    化工設計 2020年4期
    關鍵詞:管口拉桿分子篩

    楊 遠

    華陸工程科技有限責任公司 西安 710075

    近年來,隨著煤化工裝置規(guī)模不斷擴大,煤氣化對氧氣的需求量越來越大,不論何種氣化技術,為了達到一定的煤轉(zhuǎn)化率,都需要大量的氧氣,這就客觀上要求配置更多的空分裝置。分子篩純化系統(tǒng)是空分裝置重要組成部分之一,其管道溫度高、管徑大、操作工況復雜,是空分裝置管道應力分析的關鍵部分。分析分子篩各種操作工況,合理設置其工況是進行準確計算的前提。使用低摩擦管托、彈簧支吊架、膨脹節(jié)等方法,可以有效降低管口荷載、管道熱態(tài)應力。本文以某4.5萬m3/年空分裝置為例進行分析說明。(專利商對分子篩管道布置有嚴格要求,并提出了管道和設備連接處荷載要求。)

    1 分子篩管道應力分析評價準則[1]

    分子篩進出口管道的材質(zhì)為碳鋼。出入口管道公稱直徑為900~1200mm,其中1200mm對應壁厚為14mm。管道采用線性有限元方法并按梁單元進行力學模擬,來分析計算管道在靜載荷下的應力水平、熱位移大小、支吊架反力、設備管口載荷。其中設備管口載荷的校核按供貨商提供的荷載要求進行校核。分子篩管道進出口管道系統(tǒng)在內(nèi)壓、自重、熱脹、外部荷載(閥門、保溫材料等持久荷載)以及邊界位移約束條件下,在管道的橫截面上產(chǎn)生應力?;谠O計規(guī)范,這些應力分為一次應力和二次應力校核。

    一次應力校核:管道由于持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應力之和σL,不應超過材料預計最高溫度下的許用應力[σ]h,即:

    σL?[σ]h

    式中,F(xiàn)為壓力引起軸向力之外的附件軸向力,N;A為管道橫截面積,mm2;P為設計壓力,MPa;D為管道外徑,mm;S為管道有效厚度,mm;M為截面上合成彎矩,N·mm;W為抗彎截面模量,mm3。

    二次應力校核:計算的最大位移應力范圍σE不應超過許用應力范圍σA,即

    σE?f[1.25([σ]c+[σ]h)-σL]

    式中,f為應力折減系數(shù);[σ]c材料預計最低溫度下的許用應力,MPa;ii為平面內(nèi)應力增大系數(shù);io為平面外應力增大系數(shù);Mi為平面內(nèi)熱膨脹彎曲力矩,N·mm;MO為平面外熱膨脹彎曲力矩,N·mm;Mn為管道橫截面扭矩,N·mm;W為抗彎截面模量,N·mm。

    2 分子篩系統(tǒng)管道應力分析條件定義

    2.1 工況分析[2]

    為了空分裝置的持續(xù)運行,必須不間斷進行空氣的凈化,而分子篩純化系統(tǒng)必須設置兩臺分子篩純化器,一臺純化的同時,另外一臺進行再生過程。

    吸附時,在投用的前一段時間內(nèi),進出口管道溫度將由25℃逐漸降低到約12℃。

    吸附凈化達到飽和時,就到了切換時間,由程序控制器切換到另外一只吸附器。原純化器進入再生階段。其再生過程分4個階段進行:第1階段為降壓,污氮氣出口和進口溫度隨著壓力的降低而降低;第2階段為加熱,加熱器加熱污氮氣,純化器污氮入口溫度快速上升,在階段最后達到峰值,但是污氮出口溫度在再生開始時上升,而在整個加熱階段溫度持續(xù)下降;第3階段為冷吹,具體表現(xiàn)為污氮氣進口溫度迅速下降,出口溫度持續(xù)上升,到達峰值后,逐漸下降;第4階段為升壓,隨著純化器壓力的升高,進出口溫度都有所升高。再生污氮氣出入口最高溫度分別為170℃、90℃。

    為了保證分子篩純化器的吸附能力,在純化器第一次開車、二氧化碳穿透純化器的情況下,進行特殊再生。分子篩出入口溫度最高達到290℃、230℃。工藝流程圖見圖1。

    圖1 分子篩系統(tǒng)工藝流程圖

    2.2 計算程序及工況設置

    本文用CAESARⅡ軟件進行管道應力計算。軟件初始工況設置見表1。

    表1 初始工況列表

    由于安裝溫度21℃大于分子篩吸附時的溫度12℃,工況6、7、8、9不符合循環(huán)極限位移應力范圍,即不符合二次應力的定義,為了準確校核二次應力,增加兩個工況10、11,但是從吸附到特殊再生之間純熱態(tài)工況不會循壞發(fā)生,所以工況11不予考慮。只需要考慮工況1、2、3、4、5、10。

    3 應力計算結(jié)果評定

    3.1 管道初始模型應力分析

    利用有限元軟件對分子篩、加熱器管口分析,得到分子篩、加熱器和管道連接處的剛度值,帶入CAESARⅡ軟件中,進行管道應力計算。分子篩進出口管道初始模型見圖2。

    圖2 分子篩進出口管道初始模型

    經(jīng)計算,分子篩進出口管道一次應力分別為許用應力的37%、53.5%,滿足規(guī)范要求。

    計算二次應力的時候,要考慮管道位移應力范圍折減系數(shù)f,因為一般分子篩純化系統(tǒng)的使用壽命為20~25年,按20年計算,則管道系統(tǒng)在正常使用壽命內(nèi)循環(huán)次數(shù)大約為7萬次,按GB50316中列表f取0.6。根據(jù)GB3091,碳素結(jié)構(gòu)鋼不能用于劇烈循環(huán)工況,而又根據(jù)GB20801規(guī)定[3],劇烈循環(huán)條件是指:管道計算的最大位移應力范圍σE超過0.8倍許用的位移應力范圍(即0.8σA)和當量循環(huán)數(shù)N大于7000,或由設計確定的產(chǎn)生相等效果的條件。由于分子篩的循環(huán)次數(shù)已超過7000次,所以此處應不滿足第一個條件以避免劇烈循環(huán)工況的發(fā)生,即

    σE?0.8σA=0.8f[1.25([σ]c+[σ]h)-σL]

    則在CAESARⅡ軟件許用應力一欄后填入應力折減系數(shù)f=0.48。經(jīng)計算,分子篩進出口管道二次應力分別為許用應力的129.1%、192.8%,不能滿足規(guī)范要求。同時計算結(jié)果顯示管口載荷值過大,滿足不了供貨商的載荷要求。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),造成管口荷載和二次應力超標的主要原因是管道X方向位移過大,Z向管道較短,不能吸收X方向位移,且設備管口剛度值較大。

    3.2 管道初始模型優(yōu)化

    由于管道整體X方向位移太大,需要加長Z向管道來吸收X方向位移,而由于空間受限,加長Z向管道的方案不能實施,故需要設置通用性大拉桿膨脹節(jié)來吸收橫向位移(圖中X方向位移)和少量的軸向位移(圖中Z方向位移),設置膨脹節(jié)后模型見圖3。

    圖3 分子篩進出口管道模型(設置膨脹節(jié))

    其中CAESARⅡ軟件中膨脹節(jié)建模應特別注意:膨脹節(jié)通過有效直徑,將膨脹節(jié)的反作用力作用于拉桿,拉桿用管子建模,設置為剛性件,直徑與管徑相同,壁厚、重量分別按以下公式計算:

    t=NDrod2/40D0

    W=0.283NLDrod2π/4

    式中,N為拉桿的數(shù)量;Drod為拉桿直徑;D0為管道元件外徑;L為拉桿長度。

    由于拉桿在管道保溫層的外面,故拉桿的溫度設置為環(huán)境溫度。膨脹節(jié)端板與拉桿之間的約束應為X、Y、Z與RZ,約束RZ防止膨脹節(jié)扭轉(zhuǎn)。剛度輸入時,應選取以往項目管徑最接近、類型相同膨脹節(jié)剛度值輸入,保證應力及管口荷載校核通過,提交膨脹節(jié)數(shù)據(jù)表(其中包括剛度值、位移值等)供采購。待正式的廠家圖紙確認后,需要用確定下的剛度值完成核算。注意膨脹節(jié)施工完畢后,檢查拉桿外側(cè)螺母緊固,以承受盲板力;內(nèi)測螺母松開,以吸收軸向位移。

    經(jīng)計算,設置了膨脹節(jié)的分子篩管道進出口管道的二次應力分別為83.5%,80.3%,滿足規(guī)范的要求。管口操作態(tài)載荷表見表2。

    提交分子篩供貨商,供貨商反饋A1設備N3管口FX、FY、FZ、MY,MZ,N4管口FZ超出廠家要求;A2設備N3管口的FX、FY、FZ、MY、MZ超出廠家要求。采取以下措施解決:由于分子篩出入口管道管徑大,重量大,導致摩擦力大,所以選用低摩擦管托,以減小摩擦力和設備管口荷載。

    表2 分子篩進出口管口荷載列表

    分子篩純化器出入口豎直管道上設置彈簧支吊架。為了減小分子篩管口的載荷,希望將管口的重量盡量由彈簧支吊架來承擔,若按吊零分配就不能滿足這種要求。所以人為給彈簧配載,使管口的豎直載荷由彈簧支吊架多承擔一些;在選擇彈簧支吊架時,應綜合考慮各種工況,包括安裝、吸附、再生、特殊再生等;管道直徑D>500mm,一般設置兩個彈簧并聯(lián),這樣既能保證穩(wěn)定性,又比較經(jīng)濟;由于管道管徑一般都比較大,閥門、法蘭比較重,管道溫度高位移大,彈簧安裝高度高,彈簧選型時一定要考慮空間的問題。

    在分子篩設備出入口管道彎頭處較近處,設置限位支架,減小管口水平荷載。修改后管口操作態(tài)載荷表見表3。

    表3 分子篩進出口管口荷載列表

    經(jīng)供貨商確認滿足要求。

    4 結(jié)語

    空分裝置分子篩多工況管道應力分析的要點:

    (1)分子篩高溫、低溫交變循環(huán)工況詳細的分析、應力計算工況正確的設置,是保證計算準確性的前提。

    (2)分子篩系統(tǒng)中通用性大拉桿膨脹節(jié)、彈簧支吊架、限位支架、低摩擦管托的設置可以有效降低管道應力水平,降低分子篩設備管口荷載值,以滿足廠商要求。

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