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    附塔真空大口径管道的应力分析及特殊管架的设置.pdf

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    附塔真空大口径管道的应力分析及特殊管架的设置.pdf

    陶 荣等 附塔真空大口径管道的应力分析及特殊管架的设置 21 附塔真空大口径管道的应力分析及 特殊管架的设置 陶荣 徐阳徐义明中建安装工程有限公司南京210049 摘要 阐述CAESAR II软件在某大型联合装置项目中塔顶大口径气相附塔热力管道中的应用。在真空工 况满足管道压力降的前提下,使用CAESAR 11软件进行一次应力及二次应力不同工况的校核,得出附塔真空大 口径管道特殊管架的设置方案,并绘制出特殊管架的制作图纸。 关键词 大口径真空应力分析 管道应力分析是石化装置布置和配管研究的 重要依据之一。CAESARⅡ软件是由美国COADE 公司开发的一款管道应力分析软件,以其功能强 大、操作简单的优点受到众多用户的喜爱,成为 当今通用的石油化工管道应力分析软件 。 在化工管道业的发展中,大口径、高温、高 压逐渐成为发展趋势。支撑大口径管道的支架是 否能承受住温压通过管道传递出来的应力也越来 越引起人们的重视 。由于该装置反应精馏塔塔 顶气相线属于真空工况,因此,需使用大口径管 道以满足压力降和真空度的要求。本文利用管道 应力计算软件CAESAR II对某联合装置主反应精 馏塔的塔顶大口径气相附塔热管进行了详细的应 力分析,得出附塔真空大口径管道支架的设置方 案,并给出了特殊管架的制作图纸。 1应力计算 1.1设计参数 该管线为装置反应精馏塔塔顶气相组分去空 冷器,管道的外径为1363mm,其设计详细参数见 表1。 1.2模型的建立 所谓建立模型就是将需要分析的力学模型按 一定规则进行抽象简化成适合电算的数学模型。 管道应力分析的基本任务是对管道进行包括 应力计算在内的力学分析,并使分析结果满足标准 规范的要求,从而保证管道自身和与其相连的设 备、机器以及土建结构的安全。 表1 附塔热力管线设计参数 项目 参数 附塔热力管线外径壁厚,mm 附塔热力管线材质 操作/设计温度,℃ 操作/设计压力,MPaG 介质密度,kg/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 在模型建立之前,需明确该附塔热力管线静 力分析的任务。主要表现为以下几个方面 J 1使管道应力在规范的许用范围内,保证管 道的安全包括管道组成件。 2使设备管口受力符合制造商或国际公认的 标准如API610,保证设备的安全。 3计算出各类支撑以及约束的设计载荷,为 管架和土建结构的设计提供依据。 4计算管道位移,防止位移过大造成的损害 并为弹簧的选型提供依据。 完成上述任务需要正确隔离出力学分析体系, 在CAESAR II中搭建附塔热力管线力学分析的模 型,使解析结果符合工程项目实际情况。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。附塔热力管线节点的描述和应力计算 见图1。 陶荣工程师。2009年毕业于东南大学化学化工学院获硕士学位。现从事化工工艺设计工作。联系电话02556663713, Emailtaoron5,0206aliyun.corn。 . 5 虬 札 0 0 0 。。 姗 。 玻 0 22 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 图l 附塔热力管线应力计算简图 模型建立的要点如下 1图中节点10是DPC反应精馏塔的管 口N1。 2图中节点40主要起到支撑附塔热力管线 的作用,有Y方向的约束。 3图中节点50主要起到附塔热力管线的导 向作用,抑制附塔热力管线的摆动,有z方向的 间隙约束。 1.3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。在该附 塔热力管线的应力分析中,工况组合见表2。 表2 附塔热力管线应力分析工况组合 其中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l温度;T2为工况2温度;T3为工况3 温度;PI为工况1压力;H为弹簧。 不难看出,L3为水压试验工况,L4为工况1 操作状态,L5为工况2操作状态,L6为工况3操 作状态,L7为安装工况。 2计算结果及分析 2.1 弹簧支架的设置与选型 1由于该附塔管管径过大,造成其自身柔性 很差,同时其管道本身的重量也超大,因此在操 作工况下,管口和附塔管线设置的承重支架受力 过大。附塔热力管线承重架受力见表3。 表3 附塔热力管线承重架受力不加弹簧支架N 由表3可知,承重架的受力约为8.3吨,该管 架生根在塔的外壁上,塔外壁不能承受过大的受 力。为此,与配管工程师协商的结果是,在节点 50处增加2个弹簧支架,生根在塔上,分担承重 支架的受力见图1。重新计算后,查看结果见 表4,管架的受力明显得到下降。 表4附塔热力管线承重架受力加弹簧支架N 2根据实际情况,弹簧设置于大口径竖直管 道上,因此设计计划采用双弹簧,CAESARⅡ计算 后,在节点50处,根据JB/T8130.2中查得弹簧型 号为TD30F17,同时考虑到管线的稳定性,在此处 设置了导向支架。 2.2管嘴的受力分析 塔顶气相管嘴为复合板制造,因为其管径过 大,管嘴受到的力和力矩也是本次管线应力分析 所关注的。经过计算后,查看L5工况下节点10的 受力情况,该反应精馏塔的顶部管嘴受力结果见 表5。此受力经设备专业确认,在设备承受允许范 围。因此在操作工况下,管口处于安全状态。 表5反应精馏塔出口管嘴作用力和力矩 2.3特殊支架的设置 由于附塔热力管道的直径较大1363,故 在支架的设置方案上有一定的难度。本项目仿照 国内某工程公司关于大型管道支架图的图纸,设 陶 荣等 附塔真空大17径管道的应力分析及特殊管架的设置 23 置特殊支架见图2~图4。相对应的参数见表8~ 表10。特殊支架制造图纸设计完成后发给专业管 架制造厂家,由厂家进行预制。 图2节点40处承重支架图 图2为节点4O处承重支架图,它的允许荷载 为68吨。L1为附塔热力管线中心与塔外壁切线的 距离,L2为支架的宽度,节点40处承重支架的重 要参数见表6。 表6节点40处承重支架的重要参数 图3为节点4O处承重支架支座件1详图, 其详图中的每个字母代码的详细尺寸见表7。 接陶304L高度为550mm氆板 / l / / 270。 T---- Jo 如叫畦 I \ II / jU U LjL 18O。 图3节点40处承重支架支座详图 表7节点40处承重支架支座的重要参数 mm 代码 D1 D2 a b c d e f 尺寸 1363 1379 1040 900 380 440 130 z.66 尺寸 500 380 240 60 60 488 326 因为附塔管线材质为304L,承重支架是Q235 一A.F,为了避免异种钢的焊接,采取了在承重支 架支座的内圈焊接一圈材质为304L、高度为 550ram垫板,详图见图3。垫板与管道直接焊接, 再与承重支架连接,既满足了应力计算的要求, 又兼顾了材料的合理利用。 图4为节点50处导向支架图,它的允许荷载 为68吨。L2为支架的宽度,L3为弹簧上方水平 支腿的高度,件1为弹簧支架型号,件2为水平支 腿的型号。节点50处导向弹簧支架的重要参数见 表8。 r l H I 2块档铁 嗍 一 ‘ j . ; _ _ 1 2 图4节点50处导向支架图 表8节点50处导向弹簧支架的重要参数 3 结语 大口径附塔管线,管线本身柔性差,因此必 须关注操作工况下管口的受力情况,同时要注意 生根于塔外壁的管架的受力情况,如荷载过大, 应考虑设置一个或多个弹簧架来分散载荷。 本文以某联合装置主反应精馏塔塔顶大口径 气相附塔热力管道为例,使用CAESAR II软件进 行一次应力及二次应力不同工况的校核,得出附 塔真空大口径管道支架的设置方案。且仿照国 内某工程公司关于大型管道支架图的图纸给出了特 下转第26页 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 装就位方式。 3.6协调管理技术 实现工艺模块化需要整个项目人员的努力, 需要更高效的项目协调管理,必须重点注意以下 几个方面①总图设计中要由模块化设计来主导 和驱动,决定总图布置的设计,决不是总图来决 定模块化设计;②取消用于管道连接的管廊,设 计中要高度协调统一,综合考虑模块的每一细节, 海上平台的设计方法可以作参考;③用于设计的 供货商文件非常重要,特别是单元包设备的资料 直接影响到模块化的进度,进度协调管理对整个 项目的成功至关重要。 4模块化设计建造对各专业的挑战 最新的模块化设计给各相关设计专业提出了 相应的挑战。 1工艺专业在基础设计后不要再改变,在基 础设计结束时每个工艺模块要固定下来。要提供 完整的工艺数据表以便于支持供货商早些提供设 备资料。进度安排上,一般模块化最终的工艺要 比传统工艺设计提早确定。 2土建结构专业要用钢结构来取代混凝土基 础,工艺包和模块放置在桩基上,结构上用钢板 制作楼板,排水系统整合在模块内,建筑也是模 块化的一部分,选中的钢结构制造商要提前介入 详细设计,进行结构方面的研究。 3机械专业要提早拿到供货商资料,进行设 备模块考虑,泵等转动设备的操作范围最大限度 使用变频电机来实现工艺调整控制,在询价阶段 的技术要求要具体,对建模至关重要。 4管道专业用模块中的管架取代传统的连接 管廊,地下管线用预置在模块中的管线代替,可以 卜一卜*-卜”-_一卜一H*“一 使用海上钻井平台的管线布置原则进行设计,考 虑使用短半径弯头来进行配管,以利于高效空间 利用。 5仪表专业要比传统设计提前介入设计,对 仪表的位置,输入输出点以及控制柜的尺寸进行 确定,总控制承包商或DCS硬件供货商要提前参 与,分配控制柜,最大限度使用电缆连接技术, 来达到高度模块化。 6电气专业分配电气空间来满足区域划分要 求,考虑到模块化施工,最大程度使用电缆连接 技术,要提早确定电力负荷来确定配电间大小。 5 结语 1依托于模块化的设计,可提高工业设计的 标准化程度、设计的效率和可靠性。 2可实现工厂化制造更好的工作条件,提高 建造质量和工厂加工设备的利用率。 3可大幅减少工程项目对土地面积的占用。 4可减少安装现场对人力、物力和财力的需 求,加快建设工期,降低建造成本,降低材料和 人工费用,使人工时至少降低达百分之四十以上。 5可以控制施工环境,减小自然环境对施工 的影响,同时降低施工对环境的污染。 总之,模块化设计建造是未来工程建设的一 种发展趋势,随着世界经济的发展,将会有越来 越多的模块化工厂投入建设,特别是在偏远的地 区建设石化项目,所以研究和掌握模块化设计建 造和安装技术,有着非常重要的意义。 参考文献 1高 杰.模块化工厂的建造与安装[J].安装,2011 82528. 收稿日期20130702 上接第23页 殊支架的详细制作尺寸,便于厂家预制,现场安 装质量也有了保障。 参考文献 1 吴善超.CAESARⅡ用于“矮胖形”管道应力分析的修正 措施[J].石油化工设计,2oo6,2341921. 2曲萍.大口径热力管道及其底部支架的应力分析[D]. 哈尔滨工程大学,2011. 3王洛春.管道应力分析软件在石化工程设计中的应用 [J].化学工程与装备,2009121122. 4尹继杰.常压炉转油线设计应力分析[J].炼油技术.32 13538. 收稿日期20130514

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