空分装置空压机出口管布置要点及应力分析

杨唯，高小玲

（杭州杭氧化医工程有限公司，浙江杭州310014）

化工设计

空分装置空压机出口管布置要点及应力分析

杨唯，高小玲

（杭州杭氧化医工程有限公司，浙江杭州310014）

针对空分装置空压机出口管道特点，采用应力分析软件CAESARⅡ对该管进行建模分析，校核空压机和空冷塔管口荷载，找出管道设计不合理时管口推力或力矩过大的原因，提出设置限位架和选用大补偿量波纹管两种思路，以降低管口荷载。

压机、CAESARⅡ；应力分析；管口荷载校核；波纹管

1 概述

空分装置中，原料空气经自洁式空气过滤器除去灰尘和机械杂质，再经空压机压缩，然后送入空气冷却塔进行预冷。空气被压缩后温度升高，出空压机管道操作温度一般在95℃～105℃，操作压力0.45～0.54 MPa（G）。随着空分装置规模的不断增大，空压机排气管的管径也越来越大，往往都能达到DN 1000以上。若该管道布置不合理，热位移得不到合理的补偿，就会对空压机或空气冷却塔接管管口造成较大的推力或力矩，对设备造成损坏。同时空压机排气管作为连接压缩机与压力容器（空冷塔）的重要管道，根据《化工装置管道机械设计规定》HG/T 20645-1998中的规定，应通过计算机进行详细的应力分析。本文根据工程实例，提出以设置限位架分割热位移和采用大补偿量波纹管来吸收热位移两种方法来减小管口推力及力矩，从而达到保护设备的目的。

2 管道概况

某空分装置采用3MSGXL型空压机，压缩空气出口向上，公称直径DN 600，带短拉杆波纹管，参数见表1。最初的管道应力计算轴测图如图1所示。节点10为空压机出口，运行工况热位移DX：0.5 mm、DY：1.7 mm、DZ：0.5 mmm，允许荷载见表3。节点180为水冷塔气体入口，管口无初始热位移，要求承受合力不大于25 kN。节点10到节点50为短拉杆波纹管，节点130后变径为DN 1100。节点160至节点170为工艺要求的4 m高防液体倒吸直管段。节点100为孔板流量计。节点90、140、170为滑动支架，接触面以钢对钢考虑，取摩察系数为0.3。管道设计参数见表2。

表1 短拉杆波纹管数据表

表2 管道设计参数

图1 空压机至空冷塔管道应力计算轴测图

3 管道应力分析

3.1 初始分析

根据表1中数据，用CAESARⅡ对此管道进行建模分析，得出结果：节点100处一次应力达到最大，为许用应力的31.6%，节点150处二次应力达到最大，仅为许用应力的4.1%，管道应力情况良好。可以看出因为此管温度压力都不是很高，大多数情况下管道一次应力和二次应力都比较低，往往不会超出许用值。根据以往的经验，此管应力分析的重点应该在管口许用荷载校核。空压机管口荷载校核见表3。可见FZ推力较大，且力矩MX超出管口允许力矩。180点合力23 kN，满足空冷塔要求的不大于25 kN。查看位移可以发现节点50处Z向位移达到最大为15.197 mm（见表4）。节点50处位移减去节点10处位移，可得出波纹管横向变形量为15.2 mm，超出波纹管设计横向位移12 mm。超出波纹管设计补偿量的热位移作用于波纹管，其结果就将会造成波纹管超负荷变形，降低波纹管使用寿命。

表3 空压机管口荷载校核表

表4 关键节点位移

鉴于以上的问题均由管道热膨胀引起，因此主要对运行工况进行分析。结合以上计算结果可以发现该管道Z向直管段较长，在运行工况与安装工况温差的作用下产生较大的热膨胀。节点10到节点50处为波纹补偿器，此处柔性最大，因此热位移集中在此处体现。空压机管口Z向推力较大和力矩MX过大的原因也同样是因为Z向热位移得不到补偿。空压机排气管z向热伸长量可按式（1-1）计算。

ΔL：管道热伸长量（cm）；L：计算管长（m）；t2：管道设计温度（℃）；t1：管道安装温度（℃），此例取20℃；α：管道线性膨胀系数[cm/(m·℃)]，此例取11.16×10-4cm/(m·℃)。

带入相关数据计算得ΔL=22.3 mm。为吸收Z向热位移，通常采用的方法是增加节点150与节点160间的直管段长度。于是将节点150到节点160的长度改为10米，再次用CAESARⅡ模拟计算发现空压机出口处推力和力矩有所降低，但并不显著，50点处的热位移减小也并不明显。可见此方法虽然有一定的作用，但不能显著降低管口荷载和波纹管的负荷。这是因为空分工程中气体管道管径较大，管道刚度过大造成的。对于管径较大的管道，管道自然补偿能力明显低于管径较小的管道，因此在空分装置中，要想利用自然补偿来增加管道柔性往往较为困难。

3.2 设置限位架分割热位移

鉴于此管道特点，在不改变管道布置的情况下，笔者考虑在90点设置-Z向的限位支架来分割热位移。这样管道Z向热位移将被分割成两段，节点90之前的热位移由波纹管吸收，节点90之后的热位移由因设备布置造成的X向直管段（节点150到节点160）和工艺上要求防倒吸直管段（节点160到节点170）来吸收。需要注意的是，此方法可以通过调节限位架的间隙来控制90点前后两段热胀量的分布，使得限位架两端管道都有足够的柔性，这样才能使空压机和空冷塔管口荷载都能满足要求。在CAESARⅡ多次改变限位架间隙值进行试算后得出，点90处-Z向限位支架间隙取6 mm时，空压机管口荷载校核结果见表5。

表5 设置限位架后空压机管口荷载校核表

由表5，可见空压机管口Z向推力和力矩MX都明显减小并达到空压机允许荷载范围内。此时，50点Z向位移8.786 mm，X向位移0.311 mm，波纹管计算横向位移小于设计值。管口及各支撑点荷载见表6。

由表6可见，空冷塔入口合力31.3 kN，超出空冷塔管口荷载要求的25 kN。显然空冷塔管口推力过大的主要原因是FZ过大。Z向空冷塔所受推力与作用于空压机出口（10点）、限位架（90点），和滑动支架的摩擦力之和平衡。可以采用带聚四氟乙烯板的管座以减小摩擦力。改变摩察系数为0.1后再次运算，得180点合力2.3 kN，满足空冷塔许用荷载要求。

3.3 采用大补偿量补偿器

除设置限位架外，还可以采用具有较大补偿能力的补偿器来吸收Z向的位移，如复式铰链式波纹管和长拉杆波纹管。例如以采用参数如表7的复式铰链式波纹管来替换原空压机自带的短拉杆波纹管。用CAESARⅡ再次建立管道模型如图2所示。

表7 复式铰链式波纹管数据表

图2 带复式铰链式波纹管的管道应力计算模型图

由表7可见，复式铰链式波纹管横向补偿量达25 mm，管道Z向热胀量为22.3 mm，可被波纹管直接吸收。使用复式铰链式波纹管时需要注意的是，它的轴向几乎没有补偿能力，因此需将90点的滑动支架改为弹簧支架，否则会造成90点处管架将会脱空，重力荷载则直接作用在空压机管口。由于管道直径较大，为保证管道支撑的稳定性，此处管道支架下选择两个弹簧。为使空压机出口荷载尽量小，可以在选弹簧时直接在Y向free节点10。

由CAESARⅡ计算得，50点Z向位移17.86 mm，满足波纹管设计补偿量。空压机管口荷载校核见表8，空冷塔管口（180点）合力1.7 kN，两处均满足设备许用荷载。

表8 采用复式铰链式波纹管后空压机管口荷载校核表

4 结束语

（1）随着空分装置规模的不断扩大，空压机排气管道直径也越来越大。对于大直径钢管，简单的自然补偿难以达到令人满意的效果。工程中可根据具体情况采用设置限位架和选用补偿量更大的补偿器等方法来使运行态的管口荷载低于设备允许的荷载。

（2）实际工程中，设置限位支架时，需要根据设备、管道布置情况调整限位架的位置和间隙，合理分割热膨胀量，使空压机和空冷塔管口荷载均满足设备要求。

（3）选用大补偿量的补偿器可以直接吸收管道热膨胀，显著降低管口荷载，但应根据不同补偿器的特点合理设置管道支架，以免适得其反。

[1]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009.

[2]HG/T20645-1998.化工装置管道机械设计规定[S].1999.

[3]施振球.动力管道设计手册[M].北京：机械工业出版社. 2006.

[4]刘新斌，罗仕发.波纹管补偿器的配管设计与应用[J].南方金属，2002（3）：21-23.

浙江力普粉碎设备获评名牌产品

中国粉体技术的领航者——浙江力普粉碎设备有限公司新年传喜讯。前不久，2014年绍兴名牌产品正式公告，经过资料评价、专业评价、满意度调查、综合评价、评审表决和媒体公示，绍兴名牌战略推进委员会最终确定159家企业申报的170个产品（其中复评91个）为2014年绍兴名牌产品，并颁发绍兴名牌产品证书，证书有效期为三年。浙江力普的“力普高科”牌粉碎设备榜上有名，跻身成为我国粉碎设备行业屈指可数的名牌产品之一。

据悉，去年绍兴市以争创全国质量强市示范城市为目标，大力实施名牌战略，依据产业发展导向和转型升级的要求，突出科技管理创新和绿色环保节能，重点培育高新技术产业、战略性新兴产业、现代化农业和重点服务业的产品创牌，为绍兴“质量强市”建设打下了坚实地基础。在2014年新认定的绍兴工业名牌产品中，高技术、高附加值、拥有自主创新技术（发明专利）的产品和装备制造业产品占80.6%；新认定的服务名牌产品均来自服务业重点企业或生产性服务高新技术企业。(丁文供稿)

浙江晶茂科技拟建设年产太阳能背板380万m2生产线项目

绍兴市环保局于2014年12月23日受理了浙江晶茂科技有限公司提交的《浙江晶茂科技有限公司新建年产太阳能背板380万m2生产线项目环境影响报告表》，并进行审批前公示。该项目总投资6000万元，总建筑面积1000 m2。项目实现销售收入8000万元，利税1600万元。项目购置台湾产干式复合机1台、裁边机1台、背板检查机1台，德国产测试器1台等，形成年产380万m2太阳能背板的生产能力。

浙江晶茂科技有限公司是一家专业研发和生产高档太阳能电池用背板材料（KPK，KPE）的科技型企业。目前公司拥有十万级防尘（局部一万级）恒温恒湿厂房3500 m2，全自动台湾进口流水线2条，配备800万进口检测设备和国家级标准实验室350 m2，年生产力为760万m2。

（来源：http://www.ccin.com.cn/ccin/news/2015/01/15/311934.shtml）

国网提速充电设施建设电动汽车花费为燃油车一半

1月14日，电动汽车“京沪行”圆满结束，京沪高速全线快速充电系统即将开通。京沪高速全程1262 km，速充电系统平均单向每50 km设一座快充站，电动汽车最快可在30 min充满。充电站电价每度0.65～0.8元，同等里程电费支出仅为燃油车的一半。按照平均150～200 km充电一次计算，电动汽车只需要充电6到7次，每次充电30度，就能从上海开到北京，全程充电费用还不到400元。目前，国家电网已建成2.4万个充电桩，形成京沪、京港澳（北京-咸宁）、青银（青岛-石家庄）“两纵一横”网络，续行里程2900 km，规模为世界之最。充电桩可为所有符合国标的电动汽车充电。高速开通电动汽车充电，充电站和充电桩建设过程中需要用到很多设备，如充电机、电能监控系统、有源滤波装置、充电桩、变压器、配电柜、电缆等。

（来源：http://www.wokeji.com/ny/jryw/201501/t20150115_935784.shtml）

东华大学研发出新型共聚酯系列关键技术

东华大学顾利霞课题组经过十余年努力，在化学纤维改性和多相高分子材料领域获得一系列原创成果，形成了具有自主知识产权的新型共聚酯、纤维与染整技术体系。相关项目日前获国家技术发明奖二等奖。

我国聚酯纤维产量占世界总量的70%以上，但同质同构化严重。改进聚酯纤维的染色性、舒适性，一直是聚酯纤维功能化的重要方向。为此，顾利霞等基于空间位阻和染色高效协调改性，精选带侧甲基丙二醇为四单、间苯二甲酸乙二醇酯磺酸钠为三单、Sb（Ⅲ）复合物为催化剂，通过聚合工艺调控，抑制了三单的自催化和离子聚集效应，发明了结构均匀、可纺性好、常压易染的新型共聚酯MCDP。同时，课题组创建了大容量连续聚合MCDP及其柔软易染纤维纺丝关键技术，首次实现新型共聚酯MCDP的大容量连续稳定生产，解决了三单、四单浓度局部涨落、分散不匀工程难题；创建了熔体直纺短纤和切片高速纺长丝技术，研发了细旦、超细旦、潜在卷曲、地毯用BCF等系列柔软易染纤维。

据了解，该项技术建立了聚合、纺丝、织造、印染、服装产业链，取得了显著的经济和社会效益。2013年新增产值超过16亿元，创汇900多万美元。

（来源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/1/311607.shtm）

我国研制出高纯水处理系统

据1月12日报道，军事医学科学院卫生装备研究所为天津航天科工集团某研究所研制的高纯水系统通过技术和性能验收并投入使用。目前该类高纯水工程绝大多数由国外公司承担，并且要全部使用进口原材料才能达到水质标准。军事医学科学院卫生装备研究所研制的高纯水系统，运用具有自主知识产权的电去离子技术和产品，按照国家最高纯水水质标准建造，经专家组检测，在每天24 h不停机的连续运行条件下，产水水质各项指标均达到使用要求。与国外同类产品相比，不仅在操控上更加方便和智能化，配备了触摸屏操作系统，具备人机对话、互联网在线运行参数实时调整以及实时监测、短信报警通知等功能；而且成本更低，吨水设备造价成本仅为国外的五分之一。

军事医学科学院卫生装备研究所科技专家长期致力于纯净水、高纯水技术与装备研究，研制的系列净水装备和高纯水设备广泛应用于部队饮用水保障，以及军地医疗、卫生、化工、生物、电子等技术领域，自主研发的电去离子高纯水技术曾获天津市科技进步一等奖。

（来源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/1/311459.shtm）

The Arrangement Points and Stress Analysis for the Outlet Pipes of the Air Compressor in Air Separation Unit

YANG Wei,GAO Xiao-lin
(Hangzhou Hangyang Chemical&Medical Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou，Zhejiang 310014,China)

Based on the characteristics of the air compressor outlet pipes in air separation unit,the pipe model was built by CaesarⅡand the stress calculation of the pipeline was analysed simultaneously.The nozzle limit check for the air compressor outlet and the air cooling tower inlet were carried.The analysis result reveals the reasons of the undesirable nozzle load,which were obviously attributed to the inappropriate arrangement of the pipes.And the application of the limit frames and the expansion joints with large compensation dosage in the air compressor outletpipeline was proposed to decrease the nozzle load.

air compressor；CaesarⅡ；stress analysis；nozzle limit check；expansion joint

1006-4184（2015）1-0049-05

2014-03-27

杨唯(1986-)，男，助理工程师，2005年毕业于四川大学化工学院化学工程与工艺专业，从事管道设计与应力分析工作。E-mail：181153973@qq.com。