空分設(shè)備冷箱內(nèi)管道設(shè)計研究

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(shè)備。而其中冷箱內(nèi)壓力管道是該設(shè)備中必不可少的部分，與其它部件比較，壓力管道擁有更復(fù)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(shè)備安全、穩(wěn)定地運行,冷箱內(nèi)中的管道設(shè)計也勢必要達到更高的設(shè)計水準。所以在設(shè)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)力和二次應(yīng)力。

一次應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂破壞以及二次應(yīng)力導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力的因素，使其滿足材料許用應(yīng)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(yīng)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(yīng)力，不能超過冷箱內(nèi)管道材質(zhì)設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。

二次應(yīng)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(yīng)力，不能直接平衡外力。疲勞破壞是導(dǎo)致二次應(yīng)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(fù)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(yīng)力集中處就會產(chǎn)成較大的應(yīng)力，從而破壞設(shè)備管嘴或者焊縫，甚至導(dǎo)致設(shè)備故障。因此在布置管道時，應(yīng)該保證其柔性充足。一般而言，應(yīng)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(yīng)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(yīng)該立足于彈塑性理論來評定二次應(yīng)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(yīng)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(shè)備與管道以及有關(guān)設(shè)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(shè)備，以保護管系以及設(shè)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(dǎo)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(shè)計不合理，或是沒有設(shè)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(dāng)長度的直管段。其次在合適地方設(shè)置導(dǎo)向架和限位架，保證閥架設(shè)計充足的剛度，如確有必要，要配置相應(yīng)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(yīng)該精準操作，按圖進行施工。ASMEB31.3 的相關(guān)規(guī)定指出，在設(shè)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(shè)計水平，除掉結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(yīng)的支架，切實除掉振動導(dǎo)致的不利影響[3]。

3 設(shè)備接管

如管道作用于靜設(shè)備的力度較大，設(shè)備可能會發(fā)生變形。假如局部應(yīng)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(yīng)力、一次、二次應(yīng)力；一次應(yīng)力是受到載荷控制的相關(guān)應(yīng)力，應(yīng)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(yīng)力。二次應(yīng)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(yīng)力。在低于蠕變溫度的一定范圍時，二次應(yīng)力、一次應(yīng)力之間的組合應(yīng)力，要處于二倍屈服應(yīng)力或者安定極限的范圍內(nèi)。峰值應(yīng)力非常集中，在開展疲勞分析的過程中，應(yīng)該關(guān)注這個應(yīng)力。在冷箱內(nèi)配管的過程中，通常情況下不關(guān)注峰值應(yīng)力。包括塔器在內(nèi)的靜設(shè)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(yīng)的校核工作。因為上述公報的詳細運用條件受到相應(yīng)的限制，如有必要要進行相應(yīng)的有限元分析。

管嘴、動設(shè)備的具體受力狀況會影響設(shè)備運行的安全性以及可靠性，所以在設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)該在實際安裝管道時不要有額外應(yīng)力作用于機器口。

4 管架設(shè)計與安裝

在設(shè)計管道的過程中，管架是非常關(guān)鍵的一個部分。設(shè)計者應(yīng)非常重視管架設(shè)的設(shè)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(yīng)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(shè)備口能夠同步收縮；在確保管道前后符合柔性要求的基礎(chǔ)上，在冷箱鋼結(jié)構(gòu)上閥門處也應(yīng)設(shè)置承重支架。只有在設(shè)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(yīng)力的要求，鑒于管道拖空的現(xiàn)象，要采取導(dǎo)向架或者托架。在對管道進行應(yīng)力分析的過程中，應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致經(jīng)濟損失或者安全事故[5]。所以設(shè)計師要校核支架節(jié)點處的具體受力狀況，設(shè)計符合相關(guān)規(guī)定的支架型材?，F(xiàn)場施工中應(yīng)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(shè)計，管道上或者設(shè)備管口處會生成二次應(yīng)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(yīng)該結(jié)合具體的操作工況，合理地設(shè)計系統(tǒng)的管道，做好管道、設(shè)備布置。在確保管道一次應(yīng)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(shè)計

空分設(shè)備的不少管道事故通常情況下出現(xiàn)在停車復(fù)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(fù)溫階段很難恢復(fù)到初始的安裝狀態(tài)。多次反復(fù)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(shè)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(fù)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(shè)備進行短暫停車以實施復(fù)溫處理的措施，避免損害它的管道。針對部分空分設(shè)備服役時間較長的問題，如需停車，應(yīng)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(shè)備體積日益大型化，科技進步迅猛，空分設(shè)備冷箱內(nèi)管道中越來越注重設(shè)計的安全性、高效性以及簡潔性。設(shè)計者應(yīng)該敢于創(chuàng)新、改進和完善，提升設(shè)計水平。與此同時，應(yīng)該重視冷箱內(nèi)管道設(shè)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(shè)備的運行質(zhì)量和效果。