應力分析在雙氧水裝置設計中的應用

暢若星，李 洲，張 潔，王 磊

（黎明化工研究設計院有限責任公司，河南洛陽 471000）

隨著雙氧水生產裝置規模的不斷增加，進出反應器的高溫蒸汽管道、高揚程離心泵的進出口、渦輪膨脹機組進出口等管道的設計參數不斷提高，管徑及壁厚也隨之加大，傳統的目測檢驗法、簡單分析法已無法滿足管道應力分析的標準規范要求。因此，在大型設計中，具體的量化工作就顯得愈發重要。

自20世紀80年代開始，國內過氧化氫技術及工程化設計水平逐漸提高，雙氧水裝置單系列規模從年產千噸級逐步擴大到年產40萬t 級?？v觀國內已經建成的小規模生產裝置，在滿足工藝技術要求的前提下，管道設計時往往側重于考慮成本因素，使裝置中的管線盡量地短、直；這些裝置中設備、管道尺寸相對較小，管道系統的應力基本能夠滿足安全要求。隨著裝置規模的增大，設備、管道的應力問題對裝置的安全性影響越來越大。近些年，業內越來越重視體系的應力分析問題，一些設計院及時增設管機專業，使用計算機軟件進行應力分析，并反饋調整設備布置、管道布置，為工程設計的安全保駕護航。

1 管道應力分析

管道應力是由多方面的因素誘導產生的，包括地震、自重、內壓、支吊架反力等外因，以及自身熱脹冷縮、端點位移等造成的變形[1]，同時，不同因素對管道造成的應力形態也是不同且復雜的，均可影響化工管道的整體性能以及化工生產的安全性，因此，管道的應力問題在設計過程中尤為重要。利用管道的應力分析，核算在不同類型載荷時，管道承受的力、彎矩、應力等，對安全性做出評價，保證管道布置在滿足工藝管道流程圖（PID）要求的同時，做到經濟合理同時安全可靠。

管道的應力分為一次應力、二次應力、峰值應力[2]。一次應力[3]是指由外力荷載引起的法向應力和剪應力，它們是非自限性的。當超過某一極限時，管道將會發生整體變形，直至破壞。因此，在布置管道時，有必要留出適當的余量，防止過度的塑性變形。二次應力[4]是指管道在受到例如溫度載荷或者結構的總體幾何、材料等的不連續所產生的法向應力和剪應力，具有自限性；與一次應力相同，由二次應力產生的正應力和剪應力隨著管道的啟、停對管道呈現反復交變的作用。峰值應力[5]是指管道或管道附件由于局部結構的不連續或局部熱應力的影響而產生的附加于一、二次應力的應力增量，其特征是不會引起很明顯的變形，卻是疲勞和脆性斷裂的根源。因此，流體的溫度壓力、管道的管徑壁厚、管道的支吊架跨距、承受的荷載以及補償器的形式等都會影響管道的應力結果。

一般來講，管道應力分析的主要任務是對管道系統進行力學分析，包括應力計算[6]。在傳統的計算方法中，當管道上兩個固定點的距離較近時，基本可不考慮管道的應力；對固定點相距較遠的管道，可通過改變管道走向、選用合適的補償器等方法消除一定的管道應力。這種單元法或估算法的計算結果精度較差，主觀因素成分多。為保險起見，通常會放大安全系數，增加安全可靠性，但同時會造成浪費，帶來潛在風險，已逐漸被淘汰。

目前，國內外研發了一批管道設計專用的應力分析程序，這些管道分析軟件可以利用計算機進行復雜的運算，且計算結果精確、效率高。通過模擬整個管道系統在不同工況下的受力，形成三維圖和計算書，直觀清楚，使管道設計人員可掌握各種生產工況下，管系各處的受力情況，及時發現設計中的安全隱患。同時可對管道的振動頻率進行分析確定，錯開激振頻率，避免產生共振，保證整個裝置安全穩定運行。管道應力分析軟件能模擬出管系在各種極端工況下的受力，配管人員可以依據模擬結果和數據選出合理的管道走向，確定合適的管道支吊架，選擇合適的補償器，以減少管道投資；土建專業和設備專業也可以得到精確的管道反推力數據，從而合理確定各自的設計依據，在保證安全的情況下，最大化地節省工程總投資。

2 管道應力分析軟件

隨著計算機的廣泛應用，研究人員研發了一批管道應力分析軟件，其中一些軟件經過用戶的反饋，不斷改進和升級，可以較切實地模擬管道在不同工況下的應力，使用的方便程度也日益增進，已然成為設計人員認可的管道應力分析軟件，得到廣泛應用。目前，常用的管道應力分析軟件[1]有：美國COADE 公司的Caesar Ⅱ、美國AEC 集團公司的CADpipe，美國AAA 公司的Triflex 等。以Caesar Ⅱ軟件為例，軟件的程序簡單，功能相對完整，且操作并不復雜，使用方便快捷。Caesar Ⅱ軟件可以提供國際上通用的管道設計規范，交互式數據輸入圖形輸出，進行管道的靜、動態分析，可模擬計算管道的一、二次應力、彈簧支吊架的規格（如有）、管道每個節點的位移、振動頻率等；還能提供設備管口、法蘭受力的校核軟件，被廣泛應用。Caesar Ⅱ軟件解決的問題主要包括如下[2]。

1）計算管道各處的應力水平，使其符合規范允許；

2）計算與設備相連的管口載荷，使符合制造商或公認標準（如NEMASM233，API6104，AP16175等標準）規定的受力條件；

3）計算與管道相連的設備處局部應力，使其保持在第八部分許用應力范圍內；

4）計算各約束處所受的載荷；

5）確定各工況下的管道位移；

6）解決如機械振動、地震、水錘、加壓閥泄放等管道的動力學問題；

7）通過以上模擬計算，幫助管道設計人員對管系進行優化設計。

根據計算機軟件的應力計算和模擬結果，在滿足工藝要求的前提下，配管人員對管道的走向、支撐做出調整，減小或消除管道的應力問題，確保管道在設計條件下具有足夠的靈活性。當設備布置或其他因素造成管道系統的幾何形狀受到限制，管道自身的補償能力不能滿足安全生產要求時，首選采用自然補償的方法解決管道柔性不足的問題；當安裝空間狹小，不具備自然補償條件時，可根據工藝條件及防腐等要求選用金屬膨脹節，如氫化液泵、氧化液泵、循環工作液泵等動設備，其進出口管道管徑大、容易產生振動，且源于設備布置的因素，在設計中采用進口管道增加金屬膨脹節的方式，出口管道采用改變管道走向和增加彈簧支架相結合的方法，消除液體流動產生的應力，使管道對設備的附加荷載滿足設計要求，降低投資成本。

3 雙氧水裝置設計中的應力分析

隨著雙氧水裝置規模的不斷增加，管道的應力問題在設計過程中變得尤為重要。在設備布置和管道布置的設計過程中，結合雙氧水裝置的生產工藝特點和三維管道模型，對進出反應器的高溫蒸汽管道、與泵的進出口連接且公稱管徑大于或等于100 mm 的管道、公稱管徑大于或等于400 mm 充滿液體的管線、氣液兩相流管道、氧化尾氣處理工段大于或等于400 mm的氣體管道，設計時利用應力分析軟件對管道進行模擬計算，判斷管道走向對管道應力產生的影響，合理判斷管道的走向及選取管道支吊架的位置，取得了較好的效果，使管道的設計既經濟合理又安全可靠。

本文結合某15萬t/a 過氧化氫項目復雜管系的應力分析，重點對下述兩種類型管道的應力消除措施舉例分析。

3.1 蒸汽透平管系應力消除設計

對于蒸汽透平管系而言，介質溫度較高，會造成其操作溫度遠超于安裝溫度。而在影響管道應力的一系列因素中，溫度的影響相對而言最為明顯。溫度的升高會降低管道的許用應力值，管道產生較大的熱膨脹，也會相應增大固定點上的二次應力和推力；當管道的彎曲半徑增大時，管道的柔性增大，二次應力減小，但固定點處卻增大；這就造成管道在運行時因熱脹產生的熱應力反作用于透平機管口，產生明顯的應力。

該項目中，蒸汽透平管系溫度達到460℃、壓力為4 MPa，在操作工況下管道熱膨脹大，受力非常復雜。且蒸汽透平對進出口管口載荷要求非常嚴，對管口要求受力不超過3 000 N，外力矩不超過4 000 N·m。管道走向布置不當、支吊架設置不合理都會造成管道對透平載荷超標，留下安全隱患，無法滿足透平長期穩定低噪聲安全運行。此類高溫高壓管道具有很大的危險性，設計時采用計算機軟件對此類管道做了詳細的應力分析計算，結合應力分析結果，對管道走向做出了合理的設計，同時結合現場實際，在管口附件設置管道U 彎，并調整固定架及導向架，選擇不同的彈簧支吊架及其位置，使管道與透平本體熱膨脹同步，解決受力與熱膨脹的矛盾，做出了滿足透平管口載荷要求的較經濟方案，如圖1所示。

圖1 蒸汽透平機進出口管道走向設計

3.2 塔設備相連管道的應力消除設計

該項目中，與主要塔相連的管系因為直徑大，工況復雜，經計算發現，繼續采用以往裝置中的配管方法會造成多處應力超標，造成安全隱患。尤其是氫化塔，不僅連接有催化劑再生用的高溫蒸汽管線，兩根主要垂直管道從上部直通下部，而中間多處與塔相連，造成約束點眾多，管道與塔本體熱膨脹不同步，相互影響較大，管道與塔的應力都超出許用應力，塔和管道的薄弱處會變形撕裂。

管道配管時，著重對此類管道做了詳細的應力分析計算，通過將塔與管道一同進行應力分析，結合應力分析結果，對管道走向做出了合理設計。通過分析，確定了在垂直管道支管進塔前設置彎頭，增大力臂，在塔上設置固定架及導向架，加厚部分塔壁，在管道接近地面轉平行管道上設置膨脹節等多種方法，使塔和管道各處應力值滿足要求。

4 結束語

通過應力分析對管系進行優化設計，從新近設計裝置的運轉情況和業主的反饋可知，裝置運轉的現場情況有了很大改觀：與設備相連接管道的振動明顯減小，氣體或液體流動的噪聲值降低，消除了應力超標帶來的安全隱患，使裝置的安全性極大提高，同時也延長了設備的使用壽命。