基于CAESAR II 分析浆体泵出口在环境温度下的管道布置

付新民 ,封志强 ,郝艳霞

(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038;2.北京环都环保科技有限公司,北京 100094)

0 前言

选矿厂通常处理的原料、产品为浆体物料,石油及化工行业处理的往往为纯流体物料,在配管时考虑的问题往往不同。

石化行业的物料通常是高温高压物料,在管线设计的时候需要充分考虑管线的柔性,管道的布置往往需要根据管道柔性做出调整[1]。而浆体物料的管线,需要考虑的往往不是高温高压的苛刻工况,而是物料对管线本体的磨损问题,大部分情况下,浆体管线物料的弯头及三通均需要特殊考虑。例如弯头采用3D 或者5D 弯头,三通采用斜三通或者Y 型三通等,以尽量减少物料对管线的磨损,同时减小管线的运行阻力。典型的浆体泵配管如图1 所示。

基于上述考虑,浆体管线的配管与石化行业配管大相径庭,同时大型浆体管线由于其配置的特殊性,管道支撑通常不易设置。管道的合理支撑,直接决定了泵管口荷载能否在允许范围内,这对泵的长周期安全稳定运行至关重要,是需要解决并具有工程实际意义的一类问题。

图1 典型渣浆泵的配管

泵管口的允许荷载,可以由设备厂家提供。设备厂家未提供时,可以依据API610[2]进行泵管口荷载的校核。本文将以某选矿厂的工程实例为基础,利用CAESAR II 软件进行计算,探讨浆体泵的管线布置。

1 模型的建立及计算

1.1 工程问题分析

以一台渣浆泵为例,如图2 所示,渣浆泵的管口参数如表1 所示,泵的管口允许荷载如表2 所示。

管道材质选择20#钢,20#钢在20～100 ℃下的许用应力为147 MPa,弹性模量为206 GPa。

取管道的安装温度为21 ℃。渣浆泵管道通常在常温下工作,取系统最高工作温度(最高环境温度)为60 ℃,渣浆泵出口工作压力为0.3 MPa。

图2 渣浆泵尺寸图

表1 泵管口参数

渣浆泵管口由于自身的热胀冷缩效应,泵的管口有一定的位移量,经材料线胀量公式计算,泵管口的位移量为:DY=+0.72 mm,DZ=+0.4 mm,管道出口连接设备,设备管口的位移量为:DY=+2.4 mm,DZ=-0.72 mm。

通常情况下,泵入口管道因压力较低会增加柔性接头,所以泵入口管道对泵口的反作用力往往很小,可以忽略不计,而在苛刻工况下泵出口管道,因压力较大,增加柔性接头可能导致管系风险增大,故本文只研究泵出口管道,泵入口管系对泵管口的荷载本文予以忽略不计。

表2 泵出入口允许荷载

1.2 建立计算模型

根据上述基本参数,建立计算模型,浆体泵通常一用一备,两泵的连接管线采用Y 型三通,以降低管系的磨损。假设管道支吊点均采用刚性支撑,建立计算模型,如图3 所示。

2 计算结果及结果分析

2.1 全刚性支撑的结果分析

(1)总体结果分析

全刚性支撑的结果显示,50 点的热应力(二次应力)超标,为正常值的137.9%,尽管温度很低,但热应力依然很大,主要原因是60 点上下的位移被约束了。这种情况的主要风险点在于50 点为Y 型三通的中心点,此处在泵反复振动以及高应力下,容易疲劳断裂,所以如果采用全刚性支撑,50 点处的Y型三通,应当予以特殊考虑,或采用加强结构,或改变其他点处的支撑型式。

图3 全刚性支撑的应力分析模型

(2)泵口受力分析

通过计算,得出10 点和1040 点处的泵管口的受力情况如表3 所示。

对比表2 和表3 可见,全刚性支撑的管系,泵出口的荷载远远超出了厂家给定的泵出口允许荷载。这种情况下,简单地采用全刚性支撑的方式支撑管道,易造成泵管口受力过大,从而造成泵转动轴不对中、引起机器磨损和振动,影响机器正常运行[3]。

表3 全刚性支撑时泵口受力分析结果

2.2 采用弹簧支撑的方式改善管系柔性

通过上述分析可知,管系全刚性支撑弊端较多,既容易破坏Y 型三通,同时泵管口处的应力较大,影响泵的安全运行,考虑到全刚性支撑的弊端,计划将60 点处的支撑改为弹簧支撑,通过弹簧的伸长量的调整,增加管系的柔性。更改后的计算模型如图4所示。

图4 弹簧支撑计算模型

通过表4 可以看到,与全刚性支撑时的泵口受力相比,节点10 和1040 处的受力情况有较大改善,较为接近表2 列出的泵出口允许荷载,但仍然超过表2 允许值,这种情况,对于普通流体管线,可以通过增加∏型弯的方法[4],改善管道柔性,但矿浆管道在配管时,反而要尽量减少管道弯头,这与增加∏型弯,改善管道柔性的思路相矛盾[5]。进一步分析结果,发现单独由热应力造成的管口荷载很大,具体数值见表5,通过表5 可见,由热应力造成的管口荷载占到了整个管口荷载的90%以上,此时的操作温度只有60 ℃,造成该现象的主要原因是短且直的配管方式下,矿浆管道的柔性较弱。

表4 增加弹簧支撑时泵口荷载分析结果

表5 增加弹簧支撑时由热应力造成的泵口荷载

对于管道走向不能更改且不易设置弹簧支撑的情况,只能在泵出口或者设备管口处增加柔性接头以改善管系的柔性,柔性接头的变形量较大,可以完全缓解由于热应力造成的管口荷载,使泵管口在允许荷载内工作。

3 结论

(1)泵出口处,如果不是与设备管口相连,而是直接进入某敞口设备,同时管线不太长的情况下,管口末端可以设置为滑动支座,使管系及其末端能自由滑动,降低泵出口处的管道应力。但是这样配置管线的问题在于管系可能会随着泵的运转而振动。

(2)如果管系末端与设备管口相连,则管道的柔性会较弱,这时可以在一些关键节点改用弹簧支吊架,如果管系的柔性较好,则也可以使泵出口荷载限定在允许范围内,但如果管系的柔性较弱,则管系对于泵出口的荷载可能依然会超出许用值。

(3)在第(2)条的情况下,管口受力依然超出许用值,说明管道刚性连接不能满足使用要求,这时应当考虑在泵出口或者设备管口处增加柔性接头,改善整个管系柔性,柔性接头示意图如图5 所示,如果管道压力较高,也可以采用大拉杆橡胶柔性接头,如图6 所示。

图5 可曲挠橡胶接头

图6 大拉杆橡胶接头

综上,浆体泵在配管时虽然没有石油化工管道危险性大,但把浆体泵管口荷载控制在厂家允许范围内,有利于浆体泵在运行时更加平稳可靠,减少故障率,保证设备长周期安全运行,在配管时也应当仔细考虑对浆体泵在特定配置下的最优的配管方案。上述结论可用于浆体泵配管时的方案优化,供工程设计人员应用。