空分设备冷箱内管道设计研究

2019-02-28王甲峰

云南化工 2019年4期

王甲峰

（液化空气（杭州）有限公司，浙江杭州 310012）

进入21 世纪后，科技发展突飞猛进，大型煤化、冶金公司越来越多地采用更先进、更完善的大型空分设备。而其中冷箱内压力管道是该设备中必不可少的部分，与其它部件比较，压力管道拥有更复杂的结构。为更好地满足相关企业越来越多元化、精细化的需求，更好地保障空分设备安全、稳定地运行,冷箱内中的管道设计也势必要达到更高的设计水准。所以在设计阶段就要严把质量关，以高要求来达到高水准。

1 管道布置

由于冷箱钢结构和面板多采用碳钢材料，所以首先管道布置应与钢结构或面板留有一定的绝热间隙。这样既能保障管道不跑冷(即结霜)，也不会导致碳钢过冷而发生冷脆的严重后果。其次，管道需满足一定的柔性，即满足一次应力和二次应力。

一次应力导致的断裂破坏以及二次应力导致的疲劳断裂破坏，是破坏管道强度的关键因素。在受到压力、重力、其它外力载荷作用，一次应力得以形成，它必须和外力保持均衡态势。它没有自限性，随着外部载荷的不断增加，一次应力也在持续提升。如它大于材料本身的持久强度抑或屈服极限，管道塑性会受到损坏，或者整体发生变形。所以，管道布置时要充分考虑一次应力的因素，使其满足材料许用应力的需要，保障管道正常工作。要立足于弹性理论来评定一次应力。也就是说，它不得超过材料自身的屈服极限，可以把安全系数引进来，进行准确的界定和计算。一般而言，通常情况下，空分工程限定管道中遭受的一次应力，不能超过冷箱内管道材质设计温度下的许用应力。

二次应力是相关物体发生变形时遭受限制而产生的一种应力，不能直接平衡外力。疲劳破坏是导致二次应力的主要因素，只要位移载荷或者变形的幅度比较小，未遭受反复加载，均无法破坏管道。在具体运行的过程中，低温管道会出现一定收缩。假如管道缺乏良好的柔性，会限制其变形，最后管口处或管道上应力集中处就会产成较大的应力，从而破坏设备管嘴或者焊缝，甚至导致设备故障。因此在布置管道时，应该保证其柔性充足。一般而言，应该在冷箱内加入弯头，调整管道的具体走向，切实打造空间管系。由于空间管系中的单元变形的自由度比较大，在承受同样载荷时，它更易于发生变形。在安装过程中应该切实依据图纸进行施工，以规避不必要的各种问题。我们应该立足于弹塑性理论来评定二次应力，依据ASMEB31.3 或者GB50316 的诸多校核条件，确保证材料在二次应力下处于安全态势[1]。

2 管道振动

空分冷箱内的管道振动受到了诸多工况的影响，如节流生成两相流、低温离心泵、透平膨胀机、都可能造成管道振动。通常情况下，低温离心泵、透平膨胀机分别配备了金属软管或波纹膨胀节，将转动设备与管道以及有关设备隔离开，能够降低管系振动的现象，保证管道生成的力不影响有关设备，以保护管系以及设备的稳定性以及安全性。节流阀后产生的震动，是冷箱内非常具有代表性的一种振动现象[2]。两相流指的是，管内流体存在着气象、液相。由于双方存在着较大的密度，流速也不一样，所以管内流体作用于管道的力不同，作用力持续变化，导致管道振动的问题。

如从压缩流程来看，高压液空节流阀之前以及之后存在着较大的压差，阀后存在一定气化现象，生成两相流，管道运行中振动幅度较大。假如管道的设计不合理，或是没有设计牢靠的阀架，易于造成管道疲劳破坏，会在较大程度上威胁装置的安全性。为削减振动，在布置管道的过程中，首先要确保管道的柔性，采用尽可能少的弯头，阀后确保适当长度的直管段。其次在合适地方设置导向架和限位架，保证阀架设计充足的刚度，如确有必要，要配置相应的阀箱，以便于开展维修和检测活动。

在安装阀架的过程中，焊接要牢靠，应该精准操作，按图进行施工。ASMEB31.3 的相关规定指出，在设计管道时要尽可能地除掉振动造成的不利影响。切实提升系统设计水平，除掉结构设计中可能造成振动的相关因素，不必详细地进行振动分析。由于振动机理比较难以阐释，不能准确地模拟实际条件，管道设计者要保证管道本身的充足柔性，重视管系刚度，如有必要，要加入相应的支架，切实除掉振动导致的不利影响[3]。

3 设备接管

如管道作用于静设备的力度较大，设备可能会发生变形。假如局部应力过大，焊缝很可能开裂，造成泄漏事故，受力状况要分析峰值应力、一次、二次应力；一次应力是受到载荷控制的相关应力，应该符合外力、内力、力矩平衡的有关定律，其上限不得超过材料本身的许用应力。二次应力受制于变形因素，一般要先计算出器壁中壁厚方向受到的弯曲应力。在低于蠕变温度的一定范围时，二次应力、一次应力之间的组合应力，要处于二倍屈服应力或者安定极限的范围内。峰值应力非常集中，在开展疲劳分析的过程中，应该关注这个应力。在冷箱内配管的过程中，通常情况下不关注峰值应力。包括塔器在内的静设备，在受到外载荷作用的情况下，通常情况下会采取WRC297 或WRC107 公报开展相应的校核工作。因为上述公报的详细运用条件受到相应的限制，如有必要要进行相应的有限元分析。

管嘴、动设备的具体受力状况会影响设备运行的安全性以及可靠性，所以在设计过程中要开展详细的受力分析，对管口受力进行校核，切实降低减管口受力。在分析离心泵管口等多种动设备的具体受力时，要参考API610 标准，标准中业已规定可以管口载荷，在管道布置时，应该确保进出口管道具有充足的柔性，以削减管道对泵管口处产生作用的力和力矩，此外要保证泵壳体即使变形后，也能够满足卖方设计准则，确保泵轴位移处在规定的数值范围内。膨胀机借鉴美国石油协会标准API617 制定的校核准则，校核管道在安装、运行过程中的外加荷载。就API617的具体描述而言，膨胀机允许荷载校核涵盖了三个重要部分：首先是单独校核膨胀端单个出、进口以及膨胀机增压端荷载合成的情况。其次是膨胀机的出口、进口荷载，要按照相应的参考位置组合后，实施总体性校核。再次，膨胀机出口、进口荷载组合后，应该单独校核各个向分量。最难通过的是膨胀机中每个管口受力的总体性校核。所以，在计算过程中，要全方位把握各个管口的具体受力状况，让各个管口处的作用力彼此抵消。对膨胀机管道实施柔性分析的过程中，既要让机器管口在操作状态下的受力达到API617的相关规定，又应该在实际安装管道时不要有额外应力作用于机器口。

4 管架设计与安装

在设计管道的过程中，管架是非常关键的一个部分。设计者应非常重视管架设的设计和安装，选择正确的安装位置和管架类型。沿着塔器布置的相关管道，应该在塔器上靠近管口的位置安装它的承重支架，确保管道和设备口能够同步收缩；在确保管道前后符合柔性要求的基础上，在冷箱钢结构上阀门处也应设置承重支架。只有在设置了柔性弯时，才能在长直管段的两端加固定支架[4]。为了满足以重力为主的一次应力的要求，鉴于管道拖空的现象，要采取导向架或者托架。在对管道进行应力分析的过程中，应该对支架节点处的实际受力情况进行校核。有时候，虽然管道柔性符合应力的相关要求，但是支架节点受到的力比较大。如果选用的支架不够强壮，易于发生变形或者遭受破坏，改变了管道受力的相关条件，管道很可能会失效，导致经济损失或者安全事故[5]。所以设计师要校核支架节点处的具体受力状况，设计符合相关规定的支架型材。现场施工中应按图纸要求选取正确的支架安装位置，牢固地安装及焊接支架。

5 管道多工况条件

在冷塔的过程中，空分装置的程序要求可能会有先冷主塔后冷氩塔的情况，这时管道、精氩塔、粗氩塔都处在温度较高的状态下，而与其相连的主塔却处在低温状态，所以此时连接的管道受到两端由于温差而产生的影响，如果没有进行合理的设计，管道上或者设备管口处会生成二次应力，对其正常工作造成不利影响。后果可能使用户不得不暂停或者延迟开车。为避免该情况发生，应该结合具体的操作工况，合理地设计系统的管道，做好管道、设备布置。在确保管道一次应力满足要求的条件下，让管道在各种工况下均具备充足的柔性，确保系统稳定运行。

6 优化设计

空分设备的不少管道事故通常情况下出现在停车复温或者开车时积液冷却时。从扒砂后的具体情况来看，不少管线已经产生严重的变形，与刚开始安装时的状态完全两样，在复温阶段很难恢复到初始的安装状态。多次反复后，部分位置会产生疲劳或者位移过量的问题。为此要进行优化设计，降低可能出现这种问题的各类管线变形的现象，恢复到安装的初始状态，符合补偿要求[6]。就管道安全运行而言，不提议对空分设备进行短暂停车以实施复温处理的措施，避免损害它的管道。针对部分空分设备服役时间较长的问题，如需停车，应该对其实施冷备用操作，也就是说不加温、只将低温液体排出来。