空分装置分子筛管系多工况应力分析

杨 远

华陆工程科技有限责任公司 西安 710075

近年来，随着煤化工装置规模不断扩大，煤气化对氧气的需求量越来越大，不论何种气化技术，为了达到一定的煤转化率，都需要大量的氧气，这就客观上要求配置更多的空分装置。分子筛纯化系统是空分装置重要组成部分之一，其管道温度高、管径大、操作工况复杂，是空分装置管道应力分析的关键部分。分析分子筛各种操作工况，合理设置其工况是进行准确计算的前提。使用低摩擦管托、弹簧支吊架、膨胀节等方法，可以有效降低管口荷载、管道热态应力。本文以某4.5万m3/年空分装置为例进行分析说明。(专利商对分子筛管道布置有严格要求，并提出了管道和设备连接处荷载要求。)

1 分子筛管道应力分析评价准则[1]

分子筛进出口管道的材质为碳钢。出入口管道公称直径为900～1200mm，其中1200mm对应壁厚为14mm。管道采用线性有限元方法并按梁单元进行力学模拟，来分析计算管道在静载荷下的应力水平、热位移大小、支吊架反力、设备管口载荷。其中设备管口载荷的校核按供货商提供的荷载要求进行校核。分子筛管道进出口管道系统在内压、自重、热胀、外部荷载(阀门、保温材料等持久荷载)以及边界位移约束条件下，在管道的横截面上产生应力。基于设计规范，这些应力分为一次应力和二次应力校核。

一次应力校核：管道由于持续荷载所产生的纵向应力之和σL，不应超过材料预计最高温度下的许用应力[σ]h，即：

σL≪[σ]h

式中，F为压力引起轴向力之外的附件轴向力，N；A为管道横截面积，mm2；P为设计压力，MPa；D为管道外径，mm；S为管道有效厚度，mm；M为截面上合成弯矩，N·mm；W为抗弯截面模量，mm3。

二次应力校核：计算的最大位移应力范围σE不应超过许用应力范围σA，即

σE≪f[1.25([σ]c+[σ]h)-σL]

式中，f为应力折减系数；[σ]c材料预计最低温度下的许用应力，MPa；ii为平面内应力增大系数；io为平面外应力增大系数；Mi为平面内热膨胀弯曲力矩，N·mm；MO为平面外热膨胀弯曲力矩，N·mm；Mn为管道横截面扭矩，N·mm；W为抗弯截面模量，N·mm。

2 分子筛系统管道应力分析条件定义

2.1 工况分析[2]

为了空分装置的持续运行，必须不间断进行空气的净化，而分子筛纯化系统必须设置两台分子筛纯化器，一台纯化的同时，另外一台进行再生过程。

吸附时，在投用的前一段时间内，进出口管道温度将由25℃逐渐降低到约12℃。

吸附净化达到饱和时，就到了切换时间，由程序控制器切换到另外一只吸附器。原纯化器进入再生阶段。其再生过程分4个阶段进行：第1阶段为降压，污氮气出口和进口温度随着压力的降低而降低；第2阶段为加热，加热器加热污氮气，纯化器污氮入口温度快速上升，在阶段最后达到峰值，但是污氮出口温度在再生开始时上升，而在整个加热阶段温度持续下降；第3阶段为冷吹，具体表现为污氮气进口温度迅速下降，出口温度持续上升，到达峰值后，逐渐下降；第4阶段为升压，随着纯化器压力的升高，进出口温度都有所升高。再生污氮气出入口最高温度分别为170℃、90℃。

为了保证分子筛纯化器的吸附能力，在纯化器第一次开车、二氧化碳穿透纯化器的情况下，进行特殊再生。分子筛出入口温度最高达到290℃、230℃。工艺流程图见图1。

图1 分子筛系统工艺流程图

2.2 计算程序及工况设置

本文用CAESARⅡ软件进行管道应力计算。软件初始工况设置见表1。

表1 初始工况列表

由于安装温度21℃大于分子筛吸附时的温度12℃，工况6、7、8、9不符合循环极限位移应力范围，即不符合二次应力的定义，为了准确校核二次应力，增加两个工况10、11，但是从吸附到特殊再生之间纯热态工况不会循坏发生，所以工况11不予考虑。只需要考虑工况1、2、3、4、5、10。

3 应力计算结果评定

3.1 管道初始模型应力分析

利用有限元软件对分子筛、加热器管口分析，得到分子筛、加热器和管道连接处的刚度值，带入CAESARⅡ软件中，进行管道应力计算。分子筛进出口管道初始模型见图2。

图2 分子筛进出口管道初始模型

经计算，分子筛进出口管道一次应力分别为许用应力的37%、53.5%，满足规范要求。

计算二次应力的时候，要考虑管道位移应力范围折减系数f,因为一般分子筛纯化系统的使用寿命为20～25年，按20年计算，则管道系统在正常使用寿命内循环次数大约为7万次，按GB50316中列表f取0.6。根据GB3091，碳素结构钢不能用于剧烈循环工况，而又根据GB20801规定[3]，剧烈循环条件是指：管道计算的最大位移应力范围σE超过0.8倍许用的位移应力范围(即0.8σA)和当量循环数N大于7000，或由设计确定的产生相等效果的条件。由于分子筛的循环次数已超过7000次，所以此处应不满足第一个条件以避免剧烈循环工况的发生，即

σE≪0.8σA=0.8f[1.25([σ]c+[σ]h)-σL]

则在CAESARⅡ软件许用应力一栏后填入应力折减系数f=0.48。经计算，分子筛进出口管道二次应力分别为许用应力的129.1%、192.8%，不能满足规范要求。同时计算结果显示管口载荷值过大，满足不了供货商的载荷要求。经研究发现，造成管口荷载和二次应力超标的主要原因是管道X方向位移过大，Z向管道较短，不能吸收X方向位移，且设备管口刚度值较大。

3.2 管道初始模型优化

由于管道整体X方向位移太大，需要加长Z向管道来吸收X方向位移，而由于空间受限，加长Z向管道的方案不能实施，故需要设置通用性大拉杆膨胀节来吸收横向位移(图中X方向位移)和少量的轴向位移(图中Z方向位移)，设置膨胀节后模型见图3。

图3 分子筛进出口管道模型(设置膨胀节)

其中CAESARⅡ软件中膨胀节建模应特别注意：膨胀节通过有效直径，将膨胀节的反作用力作用于拉杆，拉杆用管子建模，设置为刚性件，直径与管径相同，壁厚、重量分别按以下公式计算：

t=NDrod2/40D0

W=0.283NLDrod2π/4

式中，N为拉杆的数量；Drod为拉杆直径；D0为管道元件外径；L为拉杆长度。

由于拉杆在管道保温层的外面，故拉杆的温度设置为环境温度。膨胀节端板与拉杆之间的约束应为X、Y、Z与RZ，约束RZ防止膨胀节扭转。刚度输入时，应选取以往项目管径最接近、类型相同膨胀节刚度值输入，保证应力及管口荷载校核通过，提交膨胀节数据表(其中包括刚度值、位移值等)供采购。待正式的厂家图纸确认后，需要用确定下的刚度值完成核算。注意膨胀节施工完毕后，检查拉杆外侧螺母紧固，以承受盲板力；内测螺母松开，以吸收轴向位移。

经计算，设置了膨胀节的分子筛管道进出口管道的二次应力分别为83.5%，80.3%，满足规范的要求。管口操作态载荷表见表2。

提交分子筛供货商，供货商反馈A1设备N3管口FX、FY、FZ、MY，MZ，N4管口FZ超出厂家要求；A2设备N3管口的FX、FY、FZ、MY、MZ超出厂家要求。采取以下措施解决：由于分子筛出入口管道管径大，重量大，导致摩擦力大，所以选用低摩擦管托，以减小摩擦力和设备管口荷载。

表2 分子筛进出口管口荷载列表

分子筛纯化器出入口竖直管道上设置弹簧支吊架。为了减小分子筛管口的载荷，希望将管口的重量尽量由弹簧支吊架来承担，若按吊零分配就不能满足这种要求。所以人为给弹簧配载，使管口的竖直载荷由弹簧支吊架多承担一些；在选择弹簧支吊架时，应综合考虑各种工况，包括安装、吸附、再生、特殊再生等；管道直径D>500mm，一般设置两个弹簧并联，这样既能保证稳定性，又比较经济；由于管道管径一般都比较大，阀门、法兰比较重，管道温度高位移大，弹簧安装高度高，弹簧选型时一定要考虑空间的问题。

在分子筛设备出入口管道弯头处较近处，设置限位支架，减小管口水平荷载。修改后管口操作态载荷表见表3。

表3 分子筛进出口管口荷载列表

经供货商确认满足要求。

4 结语

空分装置分子筛多工况管道应力分析的要点：

(1)分子筛高温、低温交变循环工况详细的分析、应力计算工况正确的设置，是保证计算准确性的前提。

(2)分子筛系统中通用性大拉杆膨胀节、弹簧支吊架、限位支架、低摩擦管托的设置可以有效降低管道应力水平，降低分子筛设备管口荷载值，以满足厂商要求。