合成氨高温高压管道设计与应力分析

王宏葛，李雪刚，王玉先

（河北正元化工工程设计有限公司，河北石家庄050061）

随着合成氨工艺技术的不断发展，装置能力不断提高，从8～10万吨/年发展到单套装置能力达到18～24万吨/年，管径逐渐增大，对高温高压管道配管设计的要求也不断提高，因而需要进行管道应力分析以提高管系的安全性。尤其是氨合成塔、废热回收器的进出口管道大多处于高温高压状态，在设计时更应重视管材选择与应力分析。

本文通过石家庄正元化肥新上年产24万吨合成氨装置1#废热回收器出口高温高压管道设计及应力分析的实例介绍分析的方法和步骤，提出一些设计与选材的体会，供同行参考。

1 高温高压管道设计

1.1 合理选材

根据设计温度，考虑管材的抗氢腐蚀性能，通常使用温度在250～400℃范围内，管材可以选用10MoWVNb、12SiMoVNb等；使用温度在 180～250℃范围内，管材可以选用15CrMo；大直径管道为保守起见也可以选用 10MoWVNb、12SiMoVNb[1]；使用温度在 0～180℃范围内，管材可以选用20号钢。

1.2 合理配管

高压管道配管除了与一般管道要求一样，应符合工艺要求，除了做到安全、经济、便于操作和维修外，在满足热应力的要求下，管道尽量短，尽量减少弯头个数。一般根据设备布置，采用管系重心偏移法设计管道走向，空间各方向分布管道（如图1的管道分布走向）。根据管道配管设置管道支吊架，再利用分析软件对管道进行应力分析、设备管口受力分析。根据应力分析结果，调整管道走向以及支吊架位置或型式，从而提高高温高压管系的安全性。

2 管道应力分析

2.1 管道应力分析的内容

2.1.1 管道应力分析分为静力分析和动力分析

我公司应用的是美国鹰图公司的CAESARII管道应力分析软件。

静力分析包括：（1）计算压力荷载和持续荷载作用下的一次应力，防止管道塑性变形破坏；（2）计算管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力，防止管道疲劳破坏；（3）计算管道对设备管口的作用力，保证设备正常运行；（4）计算管道支吊架的受力，为支吊架设计提供依据；（5）计算管道上法兰的受力，防止法兰泄漏等。

动力分析包括：（1）计算管道自振频率，防止管道系统共振；（2）管道强迫振动响应分析，控制管道振动及应力；（3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析，防止气柱共振；（4）往复压缩机（泵）压力脉动分析，控制压力脉动值；（5）地震分析；（6）安全阀泄放分析等。

2.1.2 管道一次应力和二次应力[2]

一次应力：管道由于压力、重力与其它外力荷载的作用所产生的应力，它是平衡外力荷载所需的应力，随外力荷载的增加而增加。一次应力的特点是没有自限性，即当管道内的塑性区扩展达到极限状态，即使外力荷载不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。因此，管道设计应首先满足一次应力在许用应力范围内留有一定裕量，以保证管道的安全性。

二次应力：管道由于热胀冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形要求所必须的应力。二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量的变形就可以使位移约束条件或自身变形要求得到满足，从而变形不再继续增大。因此在管道设计时可通过改变管道走向增大管道柔性，减小管道二次应力。

2.2 管道应力的校核条件[3]

2.2.1 持续载荷作用下一次应力的校核条件

GB50316规定：管道中由于压力、重力和其它持续荷载所产生的纵向应力之和σL不应超过材料在预计最高温度下的许用应力[σ]h。

2.2.2 管道二次应力的校核条件

GB50316规定：计算的最大位移应力范围σE不应超过按下式确定的需用的位移应力范围[σ]A：

若[σ]h大于σL，其差值可以加到上式中的0.25[σ]h项上，则许用位移应力范围为：

式中：[σ]c—在分析中的位移循环内，金属材料在冷态（预计最低温度）下的许用应力（MPa）；[σ]h—在分析中的位移循环内，金属材料在热态（预计最高温度）下的许用应力（MPa）；σL—管道中由于压力、重力和其它持续荷载所产生的纵向应力之和（MPa）；[σ]A—许用的位移应力范围（MPa）；f—管道位移应力范围减小系数。

CAESARII管道应力分析软件给出了多种设计规范，用户可根据情况自己选取，一般石油化工类管道选用ASMEB31.3。

3 高温高压管道应力分析

石家庄正元化肥2011年上的年产24万吨合成氨装置工艺流程为采用溴化锂制冷技术的“双废锅双水冷双冷交”的节能流程[4]，装置设计压力22MPa。在设备布置上采用氨合成塔与1#废热回收器直连的布置。1#废热回收器底部支撑采用弹簧支座，消除了传统布置中合成塔到废锅的约300℃～380℃的高温高压管道，从而减轻配管压力，但从1#废热回收器到2#废热回收器的管道设计温度为260℃，仍需要进行管道应力计算。

1#废热回收器到2#废热回收器的管道根据设备布置图，设计配管时经过多种配管方案比较，选取图1的配管方案为最佳方案。

3.1 管道基本参数

压力P=22MPa，温度T=260℃，管道规格Φ426×48，材料选用10MoWVNb；保温材料：岩棉，保温厚度：150mm。

3.2 建模和描述边界条件

根据输入管道参数建立管道模型，在建模时将法兰做了简化处理，当作为普通直管。

模型建好后需要准确输入边界条件。一般边界条件包括：约束、管端初始热位移及设备管嘴等。

（1）管端初始热位移。本文中管道是从合成1#废热回收器到2#废热回收器的热管，在处理管道端部初始位移时考虑到氨合成塔底部出口与1#废热回收器入口直连，1#废热回收器支座为弹簧支座，考虑在设备运行后设备壳程充水及合成塔出口与1#废热回收器入口直连会有向下位移，在1#废热回收器合成气出口端输入边界条件：Y方向-11mm，其它方向为0mm；另一端2#废热回收器设备管口设为固定端。

（2）设置支吊架。根据管道走向和场地情况，可在30点和60点设置支撑或弹簧支吊架。

3.3 分析计算结果

根据设置支撑或弹簧支撑进行两种工况模拟，分别是：（1）工况 1，在 60点设置向上的刚性滑动支架；（2）在工况30点和60点设置弹簧支吊架。

计算后查看管系最大的应力点（包括一次应力和二次应力）、管道对设备管口的作用力和力矩大小、弹簧支吊架选型等结果。

（1）管道最大应力值。管道所受一次应力、二次应力最大值见表1。

表1 一次应力、二次应力最大值

从表1可以看出，工况1、工况2的一次应力和二次应力最大值都没有超过许用应力值。

（2）设备管口受力。操作状态下设备管口受力和力矩见表2。

将以上设备管口受力及力矩提给设备专业校核设备接口处应力，结果都是合格的，但从表2中数据可看出，工况2的受力比工况1小很多。在正常操作时，工况1在60点设置的滑动支撑已经脱空，管道的重量实际已经都加在设备管口上。综合考虑，设备管口受力小可选取加弹簧支吊的工况2。

（3）弹簧支吊架选型。根据管道应力分析的结果，在30点和60点设置弹簧支吊架，CAESARII管道应力分析软件在分析后根据所选的弹簧库，为管道选出了合适的弹簧型号。设计人员只需就操作荷载、安装荷载、位移将弹簧型号与弹簧标准核对后，根据管道位置选择是用吊架形式还是支架形式即可。本文管道弹簧支吊架CAESARII软件选出的弹簧表见表3。

表2 操作状态下设备管口受力和力矩

表3 弹簧支吊架表

根据表3提供的工作荷载及竖向位移，查《变力弹簧支吊架》HG/T20644-1998，根据布置位置可设在管道下部支撑，选择F型弹簧支吊架，节点30弹簧型号为VS30FⅢ17，节点60弹簧型号为VS30FⅢ18。

4 结论

高压管道在设计时根据操作条件选用合适的管材很重要，经过几十年使用10MoWVNb、12SiMoVNb、15CrMo、20号钢等管道在相应的温度范围内是安全的。高温高压配管一方面根据经验合理地设计管道空间走向，一方面借助应力分析软件分析管道应力、设备管口受力是否安全。石家庄正元化肥年产24万吨合成氨装置从2011年运行至今，实践证明1#废热回收器到2#废热回收器的管道设计计算及配管是合理安全的。

[1]周伏明，王强.再论合成氨装置高压管道材料选择[J].小氮肥设计技术，2006，27（1）：11-12.

[2]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2003：50.

[3]GB 50316-2000，工业金属管道设计规范（2008年版）[S].

[4]王宏葛，黑亮，李瑞卿，等.20万t/a氨项目节能流程方案选择[J].煤化工，2012（1）：20-23.□