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    废润滑油再生装置减压炉转油线应力分析.pdf

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    废润滑油再生装置减压炉转油线应力分析.pdf

    16 CHENⅡCAL ENGINEERING DESIGN 废润滑油再生装置减压炉转油线应力分析 王佳兵 徐义明 刘玉强 中国建筑南京医药化工设计研究院有限公司 南京210005 摘要 详细介绍转油线应力分析模型建立的过程及要点,阐述应力分析中荷载工况组合的选择,对计算 过程中遇到的如烧焦线的影响、冷紧、炉管出El盖板开孔尺寸和加热炉出El管嘴受力等问题逐一进行分析,并 提出相应的解决方案。 关键词 转油线应力分析工况组合冷紧 转油线在常减压装置中起着至关重要的作用。 设计是否安全、可靠,对装置的正常运行有着重 要的影响。笔者利用管道应力计算软件CAESAR II 对某公司100kt/a废润滑油再生装置减压炉出口转 油线系统进行详细的应力分析,得到较为满意的 结果。 1 设计参数 该装置加工废润滑油,年产量为100kt/a,因 此该减压炉转油线与一般炼油厂的转油线稍有不 同,主要表现为减压炉只有一路进、出料,炉管 出口口径为DN250,通过两次变径,低速段口径为 DN500,接入减压塔。设计参数见表1。 表1转油线设计参数 项目 参数 转油线外径X壁厚,mm 转油线材质 炉管外径壁厚,mm 炉管材质 操作介质 操作/设计温度,℃ 操作/设计压力,MPaG 介质密度,ks/m。 保温材料 保温材料厚度,mm 保温材料容重,ks/m 管道腐蚀裕量,mm 53013 316L 2738.0 316L 脱水塔底油气 356/4oO O.O8/o.1 20 耐高温玻璃棉 loo一120 50 1.5 该转油线另一个特点是在加热炉出口处,需 要接一根停工时用于清焦的烧焦线。正常生产工 况下,该烧焦线处于常温工况1;在烧焦工况 下,该烧焦线的操作温度为200C,而此时转油线 的温度为常温工况2。设计参数见表2。 表2烧焦线设计参数 项目 参数 烧焦线外径壁厚,mm 烧焦线材质 操作介质 操作/设计温度,℃ 操作/设计压力,MPaG 管道腐蚀裕量,mm 2197.0 20 烟气 2oo/3oo 常压/0.1 1.5 2模型的建立 2.1静力分析 在模型建立之前,需明确该转油线静力分析 的任务。 1计算该转油线的一次应力、二次应力, 并使之满足标准规范的要求。 2计算该转油线对塔及加热炉的作用力, 并使之满足规范的要求。 3计算管道对支吊架和土建结构的作用力, 为支吊架和土建结构的设计提供依据。 4计算管道位移,防止位移过大造成支架 脱落或管道碰撞,并为弹簧支吊架的选用提供 依据。 2.2建模要点 要完成上述任务,需正确隔离出力学分析体 系,做出转油线力学分析的模型,使解析结果不 失真。其中最重要的是管线约束应按实际情况定 义各个方位的自由度 J。模型建立的要点如下。 2.2.1转油线与加热炉接口处的描述 王佳兵助理工程师。2009年毕业于南京大学化工系。现从事化工设计、流程模拟及管道应力计算工作。联系电话 025 86853806,Emailwang_jiabingyahoo.cn。 王佳兵等废润滑油再生装置减压炉转油线应力分析 17 1图中节点280是炉出口管在炉顶盖上的 穿出点,炉顶盖在该处可开一个适当大的孔孔 的大小可根据计算的附加位移量确定,炉管通过 套管穿出孔,套管与炉管间为软填料密封,且炉 管通过筋板支撑在炉体上。因此,炉管在该点有 正Y方向的约束,x、z向间隙约束。 2图中节点600和620是炉管下回弯点, 其下端有一个悬浮的支托受固定在炉底的导向套 管的约束,控制着炉管的摆动度。因此,炉管在 该点有x、z向间隙约束。 3图中节点8O和190是炉管上回弯点,该 点被固定在炉壁上的挂钩支撑着,有正Y向的 约束。 2.2.2弹簧支吊架的位置 参考同类装置转油线,分别在弯头处节点 335和在低速段靠近塔嘴位置节点370各设 置了一个弹簧支架。 2.2.3转油线与塔接口处的描述 1节点380一节点390为转油线与入塔管嘴 的连接法兰。 2管嘴未采用WRC柔性管嘴描述,这样, 得到的力更为保守。 2.2.4塔的描述 1节点520为塔的中心点,其到节点400 单元模拟为长度是塔半径的无重量的刚性元件。 2节点520到节点530是入塔原料线中心 至塔上部的封头段。 3节点520点到510点是人塔原料线中心 至塔下部的封头段。 4510点到500为塔的裙座。 建立的模型见图1。 图1转油线应力计算简图 2.3工况组合 在管道应力分析中,为了考察各种工况组合 情况下的力、应力和位移及按照标准规范的要求 进行应力及受力校核,须进行工况组合。该转油 线应力分析中,工况组合见表3。 表3转油线应力分析工况组合 注w为管道自重包括管道重、介质重、保温重和刚性元 件重;ww为充水后管道重包括管道重、充水重、保温重和刚 性元件重;T1为工况1温度;T2为工况2温度;P1为工况1压 力;P2为工况2压力;HP为水压试验压力;H为弹簧;CS为 冷紧。 不难看出L1、L2及L3为弹簧计算工况,L4 为水压试验工况,L5为工况1操作状态,L6为工 况2操作工况,L7为工况1安装工况, 为工况 2安装工况,L11为工况1的纯热态工况,L12为 工况2的纯热态工况。 由于冷紧在施工过程中,弹簧一直起刚性支 撑的作用,故这里增加了L9和L10两个工况弹 簧定位销未拆除,弹簧支架视作刚性支架,进行 组合运算得到L13,用以考察此种方式下的二次应 力。因为冷紧施工完后,管线还要放置几个月才 开车,如果此时二次应力很大,也是不合适的。 3 结果分析及解决方案 3.1烧焦线的影响 计算初期,由于烧焦线缺乏柔性,计算结果 显示,节点3l0三通处,二次应力超过许用应 力范围。为此,与配管工程师商量,改变烧焦线 管道的走向,且增加弹簧支架节点310处,提 高其柔性见图1。重新计算后,查看结果,一 次应力、二次应力均满足要求。 18 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,231 3.2冷紧 计算初期,转油线未设置冷紧。计算后,查 看L5wTlPlH工况下的restraint,得到减 压塔管嘴的受力,见表4F/N,M/Nm,下 同。 表4减压塔管嘴作用力和力矩冷紧前 节点 Fx FY FZ MX MY MZ 385 13293 5615 397 780 7355 70820 为了改善其受力,考虑在减压塔管口处设置 冷紧。冷紧虽然对改善一次应力或二次应力的校 核结果是没有意义的,但它可以有效地减少操作 状态时管道对设备的作用力,同时可防止法兰连 接处受力过大而泄漏-】J。低速段水平管膨胀量约 110mm,冷紧有效系数取2/3,故冷紧量70mm。重 新计算后,查看L5wT1P1HCs工况下 的restraint,结果见表5。 表5减压塔管嘴作用力和力矩冷紧后 节点 385 FX FY FZ MX MY MZ 一1811 304 306 549 5713 36903 可以发现FX、MZ大幅下降。经设备专业校 核,管口受力满足要求。 3.3炉管出口盖板开孔尺寸 添加冷紧后,通过计算发现,查看L7w P1HCSSUS及L9WP1CSSUS]二 况下的restraint,发现节点280的负x方向受力过 大该约束的存在,会限制冷紧的施工。取消该 约束后,得到在L7和L9工况下,该节点DX位移 分别为一51mm和一54mm。造成该状况的原因是 炉管出口盖板开孔时未考虑冷紧,负x方向的间 隙仅为16mm。同时,计算结果显示,冷紧后,在 L5wT1P1HCS工况下,即转油线操作 工况下,该点节点280的正x方向位移为 53mm,而厂家给出的间隙为106mm,数值偏大。 通过与加热炉厂家及时有效地沟通,综合考虑冷 紧施工及热量防散失,将出口炉管的活动板与套 管间隙由一16mm/106mm改为一55mm/60mm。 3.4加热炉出口管嘴受力 加热炉出口管嘴的力和力矩一直是加热炉管 线应力分析关注的重点,API一560为此还有专门 的论述,并对力和力矩提出了具体的要求[3]。API 一560的数据偏保守,不过可以作为参考。为了得 到该受力,采用了内部约束。计算后,查看IJ5工 况下节点295的restraint,结果见表6,部分值远 远大于API一560所规定的数值。 表6加热炉出口管嘴作用力和力矩调整前 节点 Fx FY FZ MX MY MZ 295 1598 8O93 4l1 2561 325 一l1972 通过多方调试,终于找到问题的症结。最后 一根炉管底部导向管DX方向的间隙很小,为 15mm。通过加大甚至取下该约束后,受力降了很 多。该导向管的作用是防止炉管失稳。为此,在 与加热炉厂家进行深入沟通后,最终确定在不改 变z方向间隙的情况下保证炉管不失稳,加大 负x方向的间隙至30mm,正x方向的间隙至 60mm。最终结果见表7。 表7加热炉出口管嘴作用力和力矩调整后 节点 FX FY FZ MX MY MZ 295 559 6342 370 2814 551 3924 该数值返给加热炉厂家,供其核算,且得到 了厂家的认可。 4 结语 1转油线的应力分析,较为复杂,尤其涉 及到多工况、弹簧、冷紧共同存在的情况。正确 建模后,须全面分析管线系统的工况,并在软件 中进行荷载工况的编辑,这样,才能全面分析及 评价管线。 2是否需要冷紧以及冷紧量的大小,都应 通过具体的计算方能确定。 3在遇到相关问题时,如受力过大,应力 无法通过,应仔细分析原因,找到问题的症结, 方能对症下药。 4应力分析工程师应提前介入重要管线的 设计,并将计算结果返给相关专业,以免造成其 返工,耽误工期。 参考文献 1唐永进.压力管道应力分析[M].北京中国石化出版 社,20031,86. 2尹继杰.常压炉转油线设计应力分析[J].炼油技术, 200213538. 3张德姜王怀义刘绍叶等.石油化工装置工艺管道安装设 计手册. 第一篇 [M].北京中国石化出版社, 2005681. 收稿日期20120302

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