基于CAESAR II软件解决灰水循环泵进出口管道的应力问题

付雷 米超辉(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西 西安 710075)

0 引言

煤化工项目气化装置内工艺用高压高温灰水循环泵为德士古气化装置关键设备，一开一备，一台流量不足另一台自动启动，主要为气化炉激冷室供激冷水以防止激冷室和下降管过热变形，另外还向洗涤塔合成器管线上的文丘里洗涤器供洗涤水[1]。该泵一旦发生故障，极有可能引起系统跳车[1]。

灰水循环泵为端进顶出的卧式离心泵，泵进口管道原设计压力为7.20MPa，出口管道设计压力为9.50MPa，泵进出口操作温度为245℃。离心泵管口承受管道作用力和力矩的允许值通常由制造厂提出，对于制造厂未提出受力要求的离心泵，其管口受力一般要求满足API610的规定[2]。

1 存在的应力问题和解决办法

1.1 存在问题

煤气化装置内的灰水循环泵进出口管道操作温度高、设计压力大，随着装置规模的扩大管径亦增大、壁厚增加，大口径管道刚度大、柔性差；该泵输送的介质为高温、高压、带固体颗粒的气化黑水，易造成管道磨蚀、堵塞，为提高泵的吸入性能，工艺要求泵吸入管路应尽可能缩短，尽量少拐弯，以减少管道阻力损失；随着建设用地规模减小、管廊跨距所限，导致灰水循环泵管道布置空间受限。在有限的空间内采用CAESAR II软件进行应力分析，合理设置管道走向和管道支吊架型式及位置，既要满足工艺要求，又要满足应力要求，并使泵口承受管道作用力和力矩的允许值满足制造厂或者API 610的要求，应力分析工作难度非常大。

1.2 解决办法

煤气化装置内的灰水循环泵进出口管道的应力分析牵涉管机、工艺、机泵、管材、管道等多个专业，需要相互沟通、配合才能解决问题。

工艺专业在接收到工艺包时，应及时核对灰水循环泵进出口管道的管径，在满足工艺要求的前提下，尽可能减小管径。机泵专业在确定灰水循环泵的进出口直径时，应满足工艺要求。综合考虑投资的前提下，提高泵口直径或者增加泵口承受管道作用力和力矩的允许值。

高温高压的灰水循环泵进出口管道，管壁厚、材料的线膨胀系数大、管道的刚度大、强度高。因此，在选材的过程中尽可能选择耐高压、耐高温、管壁较薄的不锈钢材料。

管道专业在布置管道时，应在满足工艺要求的前提下，通过增设弯头增加管道柔性。

2 基于CAESAR II软件灰水循环泵进出口管道的应力分析

本文以国内某煤化工项目气化装置内的灰水循环泵进出口管道布置为例，调整管道相应参数，采用CAESAR II软件对灰水循环泵进出口管道进行管道应力分析，优化模型，满足设计要求，保证一次开车成功。

2.1 基本参数

该泵输送的介质为高温、高压、带固体颗粒的气化黑水，泵进出口直径分别为10″、8″，进出口管道直径为16″，材料为TP304L，管道壁厚26mm。基础工程设计阶段该泵管口承受管道作用力和力矩的允许值为API610的两倍[2]，坐标方向见图1。

图1 卧式泵管口坐标

2.2 基于CAESAR II软件灰水循环泵进出口管道的应力分析

方案一：基础工程设计阶段配管专业提供的原管道走向、材质及管口受力允许值。

方案二：调整材质、管口受力允许值及经过应力分析优化管道布置后的新配管方案。

通过比较两种方案的应力分析结果，对灰水循环泵进出口管道进行应力分析，最终方案既满足工艺要求，又满足应力要求，管口受力满足制造厂要求。计算中管道标准采用美国的ASMEB31.3，灰水循环泵标准采用API610。

2.2.1 方案一及应力分析

基础工程设计阶段配管专业提供的原管道走向见图2和图3。

图2 灰水循环泵原出口管道轴测图

图3 灰水循环泵原入口管道轴测图

简单描述：出口管道的60、180点，入口管道的225、250、310 点为弹簧支架；出口管道的266、285、600、625、630 点，入口管道的40、50、85、140、150、185、260 点为刚性承重支架，出口管道的85、105、205、225、250 点、入口管道的70、170、220 点为限位支架。

采用CAESAR II软件计算分析灰水循环泵管口受力结果见表1所示。灰水循环泵入口承受管道的力Fx是允许值的1.2倍，入口承受管道的力矩Mz是允许值的2倍，出口承受管道的力矩Mx是允许值的1.5倍。入口管道上的限位支架现场施工困难，无法保证限位支架间隙精度。出口管道拐弯较多，管道阻力损失大，容易造成管道堵塞，不能满足工艺要求。

分析造成灰水循环泵管口受力远超允许值的原因：普通离心泵的进出口管道的管径一般比泵进出口直径大1～2级，泵口受力允许值为API 610标准的两倍。该泵进口管道的管径比泵进口直径大3级，出口大4级，而泵口受力允许值仍按照API 610标准的两倍考虑，偏于保守。选用的TP 304L不锈钢管道壁厚值偏大，管道强度高，刚度大。

因此在详细设计阶段，经与工艺、机泵、材料专业以及制造厂沟通协调，将管道设计压力、管道材料、泵口受力允许值进行调整，并采用CAESAR II计算分析，优化管道应力模型及支吊架位置和型式。

2.2.2 方案二及应力分析

经工艺专业核算，灰水循环泵进出口管道直径不能缩小，但是出口设计压力由10.00MPa调整为9.5MPa；机泵专业与制造厂沟通不增加泵口直径而提高泵口受力允许值(由API610标准的两倍提高为三倍)；材料专业将管道材料由TP 304L修改为TP 316。经分析计算优化后的灰水循环泵管口受力结果见表1。

表1 灰水循环泵管口受力荷载

经应力分析优化后的管道布置方案，灰水循环泵管口承受管道的力和力矩均小于制造厂给出的允许值，应力模型一、二次应力满足标准要求，管道走向满足工艺要求，现场一次开车成功，后期运行平稳。优化后管道上的限位支架现场便于施工。

3 结论与建议

高温高压灰水循环泵进出口管道的合理布置对于装置的安全运行起着至关重要的作用，管道应力分析是保证管道安全运行的一种重要方法。本文以国内某煤化工项目气化装置内的灰水循环泵进出口管道布置为例，采用CAESAR II软件进行应力分析和配管研究，通过调整管道设计压力、管道材料、泵口受力允许值和优化管道走向及、合理设置支吊架型式和位置使之满足应力、工艺及标准要求，得到了较为优化的配管设计。

由于大口径的灰水循环泵进出口管道建设投资大，建议在设计的过程中综合考虑，优化出最好的方案：

(1)综合考虑管道材料成本、灰水循环泵成本、工艺对于压力-流量-流速要求，确定管道设计压力、材料、壁厚、管径，灰水循环泵进出口管径、泵口受力允许值等参数；

(2)在此参数下进行应力分析，优化管道布置，合理设置支吊架型式和位置，使应力模型满足一、二次应力要求，管口受力满足制造厂或标准要求，管道布置满足工艺要求。