CAESAR II軟件在空分換熱器冷箱外管系應力分析的應用

張 宇，崔國棟，林 彬

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢 430223）

概述

對全精餾無氫制氬成套空分設備而言，因產(chǎn)品氧氣要求壓力較低，多選擇塔內(nèi)液氧泵、液氧蒸發(fā)器的流程組合：液氧加壓后，在板翅式換熱器中與高壓空氣進行換熱，氣化復熱后送出冷箱；復熱工序進出冷箱的介質(zhì)管道均從換熱器冷箱頂部經(jīng)雙法蘭接管管口與外部管道連接。

常規(guī)工程設計中，考慮到空分裝置換熱器冷箱頂部管道較多，冷箱頂部管道多設置剛性“門”型支架，承受有效跨距內(nèi)管道安裝及閥門等設備正常運行時的重量荷載。當空分裝置因系統(tǒng)維檢等需求短?；蚱渌蛩匦栎^快恢復生產(chǎn)而進行冷態(tài)開車時，由于是在保留主分餾塔內(nèi)低溫液體或主分餾塔內(nèi)溫度接近液化溫度的工況下開車，開車初期熱負荷較大，為避免液體汽化造成上塔壓力過高，會增大主換熱器返流污氮氣氮氣流量，降低上塔壓力，此時因主換熱器中僅低焓值的低壓空氣進入而熱負荷低，無法將返流氣體復熱至理想溫度，此時污氮氣氮氣的溫度會經(jīng)常低于0℃甚至達-20℃。［1］研究接換熱器冷箱外部返流管道的冷縮對管系應力及支架承載的影響是工程設計中必須重要關注的安全因素。

利用CAESAR II 軟件，在對返流污氮氣管道不同工況下的一次應力和二次應力進行計算分析的基礎上，研究在空分裝置板翅式換熱器冷箱頂部返流復熱氣體管道應力變化特征，提出該段管系合理設置彈簧支架的必要性，為空分系統(tǒng)返流復熱氣體管道的設計優(yōu)化及彈簧支架的設置、選型提供了理論依據(jù)。

1 物理建模

換熱器冷箱外管道采用三維配管軟件建模，其應力分析選用目前使用最為廣泛的CAESAR II軟件完成。

1.1 初始條件

（1）冷熱端物流管線均從換熱器冷箱頂部接入接出，設有剛性“門”型托架支撐管道，管系三維模型見圖1。

選取返流污氮管線GWN-0102 進行分析，4 根DN300 的污氮支管自換熱器冷箱頂部各接口接出，匯總為一路DN500 的主管去往水冷塔，管道參數(shù)見表1。

表1 污氮管線設計參數(shù)

（2）工況參數(shù)

運行工況：OPE1，運行溫度20 ℃，壓力15 kPa。

極端工況：OPE2，極端溫度-20 ℃，壓力15 kPa。

（3）管系計算模型

確定管系支架設置的標準跨距可以足夠承受相應管系包括閥門等設備集中荷載在內(nèi)的重力荷載，且管線平面轉彎改變方向時支架的設置力求偏心力矩最小。

根據(jù)設備管口安全運行允許加載的初始位移、力和力矩等條件，校核不同工況條件下選擇的支架形式、布置方式的合理性。

應力分析和計算中考慮管系冷態(tài)、熱態(tài)之間膨脹荷載下允許的膨脹應力范圍和位移（自限性）效應。［1］

管系的溫差冷縮變形位移按式（1）計算確定［2］。

式中：Ls——兩固定點之間的直線長度，m；

t1——管道的計算溫度，°C；

t2——管道安裝時的環(huán)境溫度，°C；

α——管材的線性膨脹系數(shù)，mm/(m· °C)。

1.2 建立管系約束模型

在CAESAR II 軟件中建立返流污氮管系模型，如圖2所示。

圖2 返流污氮管線在CAESAR II中的模型

（1）節(jié)點1700、2200、2700、3200 為冷箱內(nèi)主換熱器接點，應力分析時按照設備運行工況加載初始位移、力和力矩。

（2）節(jié)點1500、2000、2500、3000 為換熱器冷箱內(nèi)導向支架，約束類型為GUIDE。

（3）節(jié)點200、700、850 為冷箱頂部“門”型支架剛性支撐點，約束類型為+Y。

（4）節(jié)點200、700、850 為冷箱頂部彈簧支架柔性支撐點，約束類型為+Y。

（5）節(jié)點1200為管道固定點，約束類型為ANC。

安裝溫度按20 ℃考慮。

2 應力分析與計算

運行工況和極端工況的應力分析遵循標準《工藝管道（中文版）》（ASME B31.3-2014）。針對不同工況條件對節(jié)點200、700、850分別采用剛性“門”型支架與采用彈簧支架兩種支撐形式進行計算比較，得出比對結果

2.1 常規(guī)剛性支撐運行工況分析與計算

正常運行時，返流污氮管道工作溫度與安裝工況溫度接近，管道溫差變形量小，此時因管系及閥門重量的一次荷載所致的一次應力占主導作用，管系常規(guī)剛性支撐條件下主要節(jié)點的應力分析如表2所列。

表2 列出編號為200、700、850 三個節(jié)點為剛性支撐情況下的FY 值顯示：換熱器冷箱頂部的常規(guī)門型剛性支架承擔了管道及閥門的重量，此時管系施加于冷箱頂部的垂直荷載累計24 311 N。

表2 運行工況下污氮管系一次應力分析結果

工程設計時根據(jù)設備商冷箱頂部結構情況結合FY 的荷載值確定工廠設計是否對現(xiàn)有冷箱頂部結構進行承載加強處理，冷箱本體主要的承載結構設計也可根據(jù)此分析結果優(yōu)化。

2.2 常規(guī)剛性支撐極端工況分析與計算

極端工況下，返流污氮溫度較運行工況下降了40 ℃，溫變引起管道收縮變形，此時二次應力起主導作用，管系常規(guī)剛性支撐條件下管道主要節(jié)點的應力分析如表3所列。

表3 極端工況下污氮管系的二次應力分析結果

二次應力分析結果表明，因管系的溫縮變形產(chǎn)生的收縮力傳換熱器各支管端的設備接口和冷箱外的主干管道的固定點，換熱器冷箱頂部常規(guī)門型剛性支架與主干管之間剛性節(jié)點，無法吸收四根DN300 支管及節(jié)點850 至1200 間主管立管溫變引起的冷縮變形，導致?lián)Q熱器冷箱頂部節(jié)點200、700、850剛性支撐的垂直附加荷載急劇上升至89 574 N，是正常工況下一次應力時的3.7 倍，主干固定點1200 節(jié)點處的受力、彎矩更是大幅上升，導致剛性支架和固定支撐過載發(fā)生變形破壞影響設備安全運行的風險。

主換熱器各支管接口1700、2200、2700、3200 節(jié)點處二次荷載遠遠超過正常運行允許加載的初始位移、力和力矩，設備接口存在承受二次荷載過大應力偏高被破壞的風險。

在只用剛性管架支撐的管系中，一旦管道發(fā)生溫變膨脹或冷縮，很可能因為溫變的變形導致管道可能在某些管架處脫空而在另一些管架處鎖住硬性剛接觸使管架過載。

2.3 彈簧支架的配置參數(shù)確定

在管系的設計中，為了降低管系膨脹應力縮導致可能的安全隱患，通常會采取減小管道壁厚降低全管系剛度、調(diào)整管道走向獲得柔性自然補償或調(diào)整剛性支架固定約束位置解決膨脹或冷縮位移吸收等措施?？辗盅b置主換熱器冷箱外部的進出物流管道數(shù)量多，且排管受局部空間緊湊條件限制，加上承壓管道對管道壁厚要求也都基本確定，為解決極端工況下局部管道支撐處二次荷載過大的問題，可采取調(diào)整約束設置類型，嘗試通過調(diào)整使管系去除部分約束以降低冷縮應力來解決此矛盾。

擬將冷箱頂部的常規(guī)設置的“門”型剛性管道支撐替換為彈簧支架，通過彈簧的溫變位移來支撐給定荷載的約束，允許管線有少于剛性限位的位移，亦即：利用彈簧變形吸收冷縮工況下的管道溫變收縮量降低剛性硬接產(chǎn)生的二次荷載。

彈簧支架的選型設計遵循以下兩點。

（1）彈簧容許管道從熱態(tài)轉變至冷態(tài)的總位移；

（2）當彈簧的荷載從熱態(tài)變化到冷態(tài)時，不會在管系中造成額外的膨脹應力。［1］

設置彈簧支架節(jié)點為200、700、850，彈簧支架的配置參數(shù)見圖3。

圖3 返流污氮管線彈簧支架配置

2.4 常規(guī)彈簧支架運行工況分析與計算

正常運行時，管系常規(guī)彈簧支撐條件下主要節(jié)點的應力分析如表4所列。

表4 運行工況下的二次應力分析結果

二次應力分析結果表明，正常運行工況條件下，剛性支撐改為彈簧支架后，冷箱板翅式換熱器頂部支架的垂直荷載變化不明顯。

2.5 常規(guī)彈簧支架極端工況分析與計算

極端工況下，管系設置彈簧支撐條件下管道主要節(jié)點的應力分析如表5所列。

表5 極端工況下的二次應力分析結果

二次應力分析結果表明，在極端工況下，板翅式換熱器頂部設置彈簧支架后，各節(jié)點承受二次荷載較剛性門型支架設置條件下的承載有很大改善，污氮管系對換熱器接口的附加荷載均可滿足設備管嘴的要求。

3 結論

不同工況下管系加載在板式冷箱頂部的垂直荷載詳見表6。

表6 不同工況下返流污氮管系對板式冷箱頂部的附加荷載

根據(jù)控制規(guī)范對管系設計的常規(guī)要求，對實際空分工程換熱器冷箱外返流污氮管道建立理論計算模型和約束條件模型，針對不同工況，采用應力分析軟件CAESAR II對不同支撐約束負載可能出現(xiàn)的狀態(tài)進行分析，提出了適合空分工程實際的冷箱外返流污氮管道設置彈簧支架的理論依據(jù)。

（1）正常運行時，管系以一次應力為主，溫差引起的形變忽略不計，設置剛性支架或彈簧支架對板式冷箱頂部的附加荷載差別不大。

（2）在極端工況下，剛性支架無法吸收管道收縮變形，導致板式冷箱頂部荷載急劇上升，應力傳導到冷箱鋼結構和設備管口，威脅空分運行安全。

（3）改設彈簧支架后，極端工況下可有效吸收管道冷縮的變形量，降低管口附加應力，保護設備運行安全。

空分設備中換熱器冷箱工況較多、溫變較大，應根據(jù)各種工況合理布置管道及支吊架，對于頂出式換熱器冷箱，由于進出口集中，管線復雜，配管空間有限，在無法有效采取自然補償吸收管道變形量時，可采用CAESAR II軟件設計選用彈簧支架，保證換熱器設備的運行安全。