集中再生塔底泵進出管線應力分析及配管優化

(1.鎮海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江國貿集團東方機電工程股份有限公司，浙江 杭州 310016)

泵作為一種高速轉動設備，在整個裝置中，為介質輸送提供動力來源。現代裝置一般要求泵能夠長周期平穩運行，因此，對泵管口的受力有著嚴格要求。通常，受力限制由制造廠提出或參照美國石油學會的 API610標準[1]。管徑越大，介質溫度越高，則管系對泵的推力和力矩就越大。在管道設計中，如果管道的走向﹑支架位置或者支架型式設計不合理，就會造成管道的作用荷載不均衡、泵管口荷載過大，由此導致泵和驅動機軸的不對中，進而影響設備的正常運轉，甚至毀壞設備。因此，必須對管道進行應力校核、管口受力分析、管道變形分析和管道支吊架設計等，以達到限制作用于轉動設備的荷載，使其在運行周期內平穩運行的目的[2，3]。

本文以配管工程師提交的集中再生塔底泵配管方案為例，分析其管線走向、支架位置、支架型式及應力狀態，進而對配管方案進行優化。

1 校核標準

校核泵進出口管線應力時，除了管系要滿足一次應力和二次應力的要求外，泵管口荷載還應按照API610附錄F 的規定進行核算。本文采用CAESAR Ⅱ中的API610模塊進行核算。管口力和力矩的坐標系見圖1，具體核算標準列舉如下[1，4]。

(1)作用在每個泵口法蘭上的各分力和分力矩不得超過API610中表4(T4)規定限度的2倍以上。

(2)作用在每個泵口法蘭上的合成外加力(FRSA、FRDA)和合成外加力矩(MRSA、MRDA)應當滿足適當的相互作用方程式。

[FRSA/(1.5×FRST4)]+[MRSA/(1.5×MRST4)]≤2

(1)

[FRDA/(1.5×FRDT4)]+[MRDA/(1.5×MRDT4)]≤2

(2)

(3)作用在每個泵口法蘭上的外加分力和分力矩必須移到該泵的中心。外加合力(FRCA)的大小、外加合力矩(MRCA)的大小以及外加力矩的大小應當受到方程(3)、(4)和(5)的制約。

FRCA≤1.5(FRST4+FRDT4)

(3)

|MYCA|≤2.0(MYST4+MYDT4)

(4)

MRCA≤1.5(MRST4+MRDT4)

(5)

圖1 管口力和力矩的坐標系

2 案例介紹

本案例來自溶劑再生裝置，塔底泵P-0101AB和集中再生塔C-0101的相對位置見圖2。介質密度為800kg/m3，泵進出口管線及管口基本參數見表1。兩臺塔底泵為一開一備。由于泵進出口管線之間均設置了暖泵線，可以認為備用泵與運行泵的進出口管線工作溫度一致，否則應重新考慮備用泵進出管線切斷閥之間的溫度取值，通常做法為取正常溫度的一半[5]。

圖2 泵和塔的平面布置

表1 泵進出口管線及管口基本參數

3 方案比選與校核

3.1 泵進口管線

泵進口管線的各配管方案見圖3。方案1為配管工程師提供的初始配管方案，塔與泵、泵與泵之間的管線基本以最經濟的方式連接。這種配管方案缺乏柔性，通常只適用于常溫、小管徑的管道系統[6，7]。方案2～方案4是在方案1基礎上不斷進行優化所得。各方案下泵入口載荷比較見表2。

圖3 塔底泵進口管線配管方案

對方案1～方案4進行應力計算，得到泵管口(節點130和節點1130)的受力及力矩值(見表2)，其中，限定值為API610規定值的2倍。對比方案1和方案2可以看出，由于方案2增加了塔與泵之間的柔性，吸收了部分X方向的推力，使得管口FX值減小了很多，同時MZ值也小了很多。但該方案中泵與泵之間的柔性未得到改善，兩臺泵管口FZ值(絕對值)都還比較大；對比方案2和方案3，由于方案3增加了兩臺泵之間的管線柔性，使得各自管口的FZ值又減小了很多。方案4是對方案3的進一步優化，調轉了泵與泵之間管線補償的方向，使得泵管口的MZ扭矩得到了改善。最終的方案見圖4，相比方案3，方案4在保證柔性的前提下，簡化了塔與泵之間的補償，并在靠近管口的彎頭處增加了彈簧支架。

表2 各方案下泵入口荷載比較

3.2 泵出口管線

配管工程師提供的泵出口配管方案見圖5，管口荷載見表3，其中限定值為API610規定值的2倍。對比計算值和限定值可知，該方案的管口受力和力矩均在限定值范圍內，符合荷載要求。

圖4 最終方案

圖5 出口管線配管方案

表3 泵出口荷載

3.3 泵進出管口整體校核

整體校核通過CAESARⅡ的API610模塊進行，需要注意的是，當模型坐標系與API610里的坐標系不一致時，需要對坐標進行轉換，這里不再贅述，計算結果見表4。該表與第1節所列方程式(1)～(5)對應。計算值為方程式左邊計算結果，系數或限制值為方程式右邊計算結果。方程式成立則校核結果為Passed。可以看出各項校核結果都為Passed，因此整體校核為Passed。

4 結語

泵進出管線，特別是進口管線的配管設計，一直是應力分析的重點和難點。配管工程師在初選配管方案時，應充分考慮管道的柔性，同時要為管道支架的設置留足空間，以避免后續修改管道走向時，出現空間不夠或與周邊其他管道發生碰撞的情況。這樣可以一定程度上減少后續修改管道走向時的工作量。應力工程師在做應力分析時，應充分理解管口所受力和力矩的產生根源，對在哪個位置增加管線補償和在哪個位置設置何種支架做到心中有數。在保證應力及荷載指標符合要求的情況下，應使配管更加簡潔和經濟。今后如遇到相似案例，文中的最終方案可作為典型配管方案為配管工程師提供參照。另外，文中的整個分析優化過程也可為應力工程師提供分析思路。

表4 整體校核結果