刍议变换装置中高温管道的应力分析和设计

2023-03-01

随着经济的快速发展, 我国的工业发展越来越快, 各种高温管道应用在工业生产中, 高温管道的质量对工业安全、稳定的生产有很大的影响, 只有保证高温管道安全稳定的运行, 才能确保工业的正常生产。下文对高温管道进行了应力分析, 并提出了一些降低设备管口受力方法, 分析了管道设计思路。

一、高温管道应力分析的意义

随着工业的快速发展, 各种高温、高压管道的应用越来越广泛, 管道设计对管道质量及使用寿命有很大的联系, 而管道应力分析对管道设计质量有很大的影响, 因此, 对管道进行应力分析有十分重要的意义。管道应力分析是管道设计的基础, 只有对各种荷载对管道产生的作用力进行分析, 才能对管道的安全性能进行评价, 才能保证管道的设计更加合理。对已经布置的管道进行应力计算, 确定管道的最大应力值, 从而经管道承受的应力控制在允许范围内。应力分析是管道和相连设备安全运行的重要手段, 对管道进行应力分析, 能有效的保证变换装置安全、稳定的运行。

二、变换装置高温管道的设计

1. 变换装置管道特点

变换装置的工艺管道操作温度在200℃以上, 有的管道操作温度在500℃, 为了降低生产成本, 扩大装置规模, 变换装置管道的操作压力也在4.0MPa, 管道直径在500mm以上, 管道厚度在20mm以上, 变换装置具有刚度大、柔性差的特点。

2. 变换装置高温管道的设计

变换装置高温管道具有管道管径大、管壁厚, 管道刚度大的特点, 由于管道的温度比较大, 产生的热胀力会对设备管口产生很大的推力, 因此, 在进行管道设计时, 要充分考虑管道的柔性, 常用的增加管道柔性方法有改变管道走向、选用弹簧支吊架、使用补偿器等。

在管道设计过程中, 要尽量选择改变管道走向和选用弹簧支吊架的方法来增加管道的柔性, 一般情况下, 当两个固定点的位置相同时, 适当的增加管道的长度能提高管道的柔性, 当管道的某一段刚度过强时, 采用增加与管道垂直方向的管道长度来增强管道的柔性。弹簧支吊架可以分为变性弹簧支吊架、恒力弹簧支吊架两种类型, 在保证管道走向不改变的前提下, 合理的运用弹簧支吊架能极大的提高管道的补偿能力, 但弹簧支吊架的数量要控制好, 如果弹簧支吊架数量过多就会对整个管道的稳定性造成影响, 如果弹簧支吊架的数量过少, 则不能起到应用的作用。

适当的改变管道走向能提高管道的柔性, 降低设备管口受到的推力, 在进行管道设计时, 要在保证管道柔性的前提下, 尽量保证管道的强度, 避免管道过于柔软, 从而增加管道的稳定性, 节省管道投资费用。在进行管道应力计算时, 要先减少管道对设备管口的力矩和推力, 常用的方法有调整支架的位置、调整支架形式、改变管道走向、增加自然补偿等。

三、高温管道设计实例

本次设计采用CAESARII软件对某合成氨工艺的CO变换装置管道进行设计, 对变炉出口和变换炉进料口之间的管道进行应力计算。

1. 设计参数

该管道的介质主要为CO和H2, 管道操作温度为400℃, 操作压力为3.5KPa, 管径为500mm×20mm, 变换炉管道出口到换热器进口管道初始位移量为25mm, 本次设计管道操作温度为450℃, 设计操作压力为4.0MPa, 设计变换炉管道出口到换热器进口管道初始位移量为28mm。

2. 管道应力计算

由于变换炉出口和热换器进口管道初始位移量比较大如果采用刚性支架会将管道顶死, 增加设备管口的受力, 因此这部分要采用弹簧支吊架进行管道支撑。将该管道分成若干个节点, 分别对各节点的应力进行计算, 该管道的一次应力计算结果为变换炉出口节点应力为73768N、管道中间节点应力为5660N、热换器进口节点应力为67823N, 本次一次应力设计结果为变换炉出口节点应力为89333N、管道中间节点应力为5870N、热换器进口节点应力为83795N;一次应力计算结果为变换炉出口节点应力为16284N、管道中间节点应力为1207N、热换器进口节点应力为16294N, 本次一次应力设计结果为变换炉出口节点应力为19925N、管道中间节点应力为1196N、热换器进口节点应力为19993N。

3. 管道分析和调整

根据应力计算结果可以得出管道的支架受力处于合理范围, 但设备的管口许用载荷偏大, 变换炉出口力矩也大于规定静设备管口的许用载荷, 换热器出口方向力矩也偏大, 因此, 需要对管道进行适当的调整。由于管道的运行温度为400℃, 管道受热膨胀对设备管口产生的推力比较大, 因此, 可以适当的增加管道长度, 提高管道的柔性。由于换热器接近变换炉的一侧有其他管道, 不能通过增加管道长度的方法来提高管道柔性, 因此, 可以采用改变管道走向的方法来降低设备管口的推力。