基于CAESARⅡ的厂区热媒管道设计

蔡贞玉 张寅秋

摘   要：高温高压的管道，柔性化应力分析是保证生产安全运行的一个主要因素。本文以设计温度350℃，设计压力1.2MPa，材质为20#钢，管径为DN400，氢化三联苯为主要介质的厂区综合管线为例，从确定介质流速，到计算管道管径、壁厚，并使用CAESARⅡ软件对管线进行详细的建模设计分析。详细讲述了厂区热媒管线设计的流程。

关键词：热媒  综合管线  应力分析

中图分类号：TB21                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0114-02

随着近代工业的发展，大量高温高压管道的应用，管道的配置显得越来越重要。应力分析得到了广泛的应用，可以说离开它，配管设计将寸步难行。厂区热媒管线应力分析不仅仅局限于局部应力的分析和判别，必须兼顾整个管系。

1  应力分析的重要性

对于一个工艺成熟、设备定型的石油化工装置来说，装置设计的优劣很大程度取决于配管设计水平——柔性设计。目前管道应力分析在优化设计、安全生产、节约材料等方面起到了很大的作用，并已在石油、化工、电力等燃化工业管道设计中占据了十分重要的位置。管道应力分析是管道工程设计的基础，是装置安全运行的重要保障。应力分析为管道的布置、安装、配置提供科学依据[1]。通过应力分析，可以确定管系的应力水平在允许的应力范围内;可以确定管道支吊架的类型和定位;也可以对管架提供管道作用荷载数据，对管架、固定架、导向架和管道限位架进行设计。

管道布置不合理，将会使整个系统运行存在安全隐患。尤其是和动设备相连的管道和大管径高温管道，管道出现应力事故时有发生，严重时甚至导致人员伤亡。管道的应力分析一般有形状判断法、简单计算法和复杂分析法三种，大管径的高温热媒管线在首次设计时，需要采用复杂分析法进行应力计算。

2  热媒管道和厂区管线的特点

2.1 热媒管道

热媒广泛应用于石油化工、合成纤维、合成树脂、医药、印染等行业，因此，热媒管道的设计对工业生产有着重要的影响。贯穿厂区的大热媒管道的合理布置不仅可以节省生产成本，也是维持工艺生产条件的主要因素之一。

管道的设计温度达到350℃，设计压力为1.2MPa时，根据《压力容器压力管道设计许可规则》TSG R1001-2008的规定，此类管道属于GC2级压力管道。该热媒管道的热效应非常明显。管道对管架的水平作用力以及管道自身的热位移都需要进行严格的计算和控制。另外，热媒管线的高点脱气和低点排液都要有连接管[2]。因此要严格控制热媒管线的走向，尽可能保证管道从热媒站到车间步步高布置，将高低点的设置都放在车间内部，与车间内的脱气管道、低排管道统一布置。

2.2 厂区管线

厂区管线的布置设计要统筹规划，要符合仪表流程图的要求;又要做到安全可靠、经济合理，满足施工、操作、维修等方面的要求，力求美观整齐[3]。

在外观廊上敷设管道时，管架边缘至建筑物或其他设施的水平距离要符合GB50160《石油化工企业设计防火规范》、GB50187《工业企业总平面设计规范》及GB50016《建筑设计防火规范》的规定。管道间的最小间距及管道的基本跨距宜根据《化工工艺设计手册》[4]選取。

若管道较多，厂区管廊可设置两层或多层，标高按照有关装置进出管道交接点坐标协调布置。需要设置操作平台或维修通道的管道及热管道，宜布置在上层。需设置∏形补偿器的高温管道，宜并排设置。管径较大、温度较高、需要较大的∏形补偿器的管道宜放在外侧。

3  设计步骤

3.1 确定管道型号

氢化三联苯为介质的一次液相热媒管道，正常操作温度在330℃左右，根据HG/T 20570.1《设备和管道系统设计压力和设计温度的确定规范》的规定，该管线的设计温度确定为350℃。在350℃时，管道的操作压力约为1.0MPa，根据设计压力大于管路系统中可能产生的最大工作压力这一原则，确定全厂热媒管道设计压力为1.2MPa（根据经验取操作压力的）。综合考虑热媒的性质、管道材料的性能及生产成本，管道选用20#无缝钢管。将热媒流速控制在1.8 m/s内，根据用量计算得热媒管径大于360mm，故选用DN400的管道。

3.2 初步布管

一般除管道走向的自然补偿外，在厂区架空管线热媒中经常使用∏形弯补偿[5]。两端对称依次设置导向架和固定架。管架间距和管径大小相关，一般情况下，两导向架间距按40倍公称直径的长度考虑[3]。本文采用的实例厂区为三层架空管架，热媒进回总管布置在管架最上层8.5m层，∏形弯最外侧。为了使三层管道补偿器位置一致，又能较好的吸收管线的热膨胀量，补偿器的的中心距离为60m左右。

3.3 CAESARⅡ分析

根据管道初步布置图在CAESARⅡ软件中输入模型，运行后对结果进行分析。首先检查管道一次应力和二次应力结果：若一次应力没有通过，可以通过增加支撑的方法解决;若二次应力没有通过，可以取消不必要的支撑，或者通过改变固定支撑和导向支撑的位置来优化弯头和∏形弯的补偿能力。另外，还可以增加∏形补偿器的数量。其次对管道热位移进行核对;通过调整导向架的数量和位置尽可能减小管道的热位移量，至少保证运行时相邻管道不相互接触。一般室外综合管线位移量须<100mm。再次管道对管架的作用力，尤其是水平推力不可太大：若管道的水平推力太大，给管架的结构设计和基础设计带来很大的困难。一般管架固定点的受力比普通支架处大得多，当水平推力超出接受范围时，可以将固定支架改为双向限位架，空隙3～5mm。通常，管线固定点的位置一般需要管架立腿做基础，因此管线的固定点的设计要避开道路和车间门窗等位置。最后，在满足厂区管线布置要求的基础上，调整模型至应力计算结果达标，修改管道布置图，输出计算书。

参考文献

[1] 梁军.工业管道设计中的应力分析[J].山西化工，2005（4）：78-80.

[2] Typische Detaillosunged Für HTM-Anlagen/Typical Arrangements for HTM Plants[S].Zimmer， WN-E003-0100 M Rev.005.

[3] 唐永进.压力管道应力分析[M].2版.北京：中国石化出版社，2010.

[4] 吴德荣.化工工艺设计手册[M].4版.北京：化学工业出版社，2009.

[5] 石油化工管道柔性设计规范[S].中华人民共和国国家贸易委员会发布，SH/T3041-2002.