空分裝置分子篩管系多工況應力分析

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、膨脹節等方法，可以有效降低管口荷載、管道熱態應力。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在內壓、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生應力。基于設計規范，這些應力分為一次應力和二次應力校核。

一次應力校核：管道由于持續荷載所產生的縱向應力之和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；[σ]c材料預計最低溫度下的許用應力，MPa；ii為平面內應力增大系數；io為平面外應力增大系數；Mi為平面內熱膨脹彎曲力矩，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運行，必須不間斷進行空氣的凈化，而分子篩純化系統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，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下降；第3階段為冷吹，具體表現為污氮氣進口溫度迅速下降，出口溫度持續上升，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工況不會循壞發生，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f,因為一般分子篩純化系統的使用壽命為20～25年，按20年計算，則管道系統在正常使用壽命內循環次數大約為7萬次，按GB50316中列表f取0.6。根據GB3091，碳素結構鋼不能用于劇烈循環工況，而又根據GB20801規定[3]，劇烈循環條件是指：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)和當量循環數N大于7000，或由設計確定的產生相等效果的條件。由于分子篩的循環次數已超過7000次，所以此處應不滿足第一個條件以避免劇烈循環工況的發生，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f=0.48。經計算，分子篩進出口管道二次應力分別為許用應力的129.1%、192.8%，不能滿足規范要求。同時計算結果顯示管口載荷值過大，滿足不了供貨商的載荷要求。經研究發現，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)，設置膨脹節后模型見圖3。

圖3 分子篩進出口管道模型(設置膨脹節)

其中CAESARⅡ軟件中膨脹節建模應特別注意：膨脹節通過有效直徑，將膨脹節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境溫度。膨脹節端板與拉桿之間的約束應為X、Y、Z與RZ，約束RZ防止膨脹節扭轉。剛度輸入時，應選取以往項目管徑最接近、類型相同膨脹節剛度值輸入，保證應力及管口荷載校核通過，提交膨脹節數據表(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。注意膨脹節施工完畢后，檢查拉桿外側螺母緊固，以承受盲板力；內測螺母松開，以吸收軸向位移。

經計算，設置了膨脹節的分子篩管道進出口管道的二次應力分別為83.5%，80.3%，滿足規范的要求。管口操作態載荷表見表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，這樣既能保證穩定性，又比較經濟；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。修改后管口操作態載荷表見表3。

表3 分子篩進出口管口荷載列表

經供貨商確認滿足要求。

4 結語

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)分子篩系統中通用性大拉桿膨脹節、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。