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    压力管道静力分析在氨合成装置中的应用.pdf

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    压力管道静力分析在氨合成装置中的应用.pdf

    王凯等压力管道静力分析在氨合成装置中的应用 29 压力管道静力分析在氨合成装置中的应用 王 凯 史文廷 张金华 航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司 兰州 730050 摘要 从静力分析的任务、静设备的安全评定方法、管道应力的分类等几方面论述压力管道静力分析工 作的内容和特点,介绍静力分析计算步骤,讨论压力管道静力分析在氨合成装置中的应用。 关键词 压力管道静力分析应力计算步骤氨合成装置 随着煤化工兴起、合成氨装置日益大型化, 管道的应力计算也成为化工设计中必不可少的一 环]。由于氨合成装置高温高压的特点,对管道 要求十分严格,缺少必要的应力计算就会造成跑 冒滴漏,支架破坏,甚至设备局部破坏。因此, 了解管道应力并知道如何处理有利于设计,使操 作更为可靠。 1管道静力分析 1.1静力分析的任务 1计算管道中的应力并使之满足标准规范 的要求,保证管道自身的安全包括防止法兰泄 漏。 2计算管道对与其相连的设备的作用力, 并使之满足标准规范的要求,保证机器、设备的 安全。 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,保证支吊 架和土建结构的安全。 4计算管道位置,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。 1.2静设备的安全评定方法 1管道作用于容器设备管口荷载不应超过 设备制造商或设备专业规定的允许值,若设备制 造商或设备专业未提出限制性要求,则应提交设 备专业按相关规范的规定进行校核。 2管道作用于工业炉管口荷载不应超过工 业炉制造商或工业炉专业规定的允许值,若制造 商或工业炉专业未提出限制性要求,应将炉子管 口荷载及位移提交工业炉专业认可。 1.3管道应力分类 1.3.1一次应力 一次应力是指管道所受荷载,如所受内压、 持续外载、风荷载、冲击荷载等引起的正应力和 剪应力。它是平衡外力所需要的应力,是非自限 性的,当应力强度超过屈服极限时,将使管道发 生塑性破坏或总体变形。因此,必须为不发生材 料屈服而留有足够的裕度,以防止过度的塑性变 形而导致管道被破坏。 1.3.2二次应力 二次应力是管道由于变形受约束所产生的正 应力和剪应力。如由热胀、冷缩和其它位移受约 束而产生的应力,它不直接与外力平衡,而是为 满足位移约束条件或变形协调要求所需的应力。 它的特征是有自限性,当局部屈服产生小量塑性 变形就能使应力降低。对于塑性良好的管材,一 般在管道初次加载时,二次应力不会直接导致破 坏,只有当塑性应变在多次重复交变的情况下, 才会引起管道疲劳破坏。 1.3.3峰值应力 峰值应力是由于管道或附件由于局部结构不 连续或局部效应附加到一次应力或二次应力的增 量。其特点是不引起显著变形,而且在短距离内 从它的根源衰减,是一种导致疲劳裂纹或锤形破 坏的可能原因。温度、压力、管径、壁厚、荷载、 跨距、补偿器形式等都会对应力结果产生影响。 2管道应力计算步骤 ] 2.1数据输入 CAESARII采用逐个单元输入的方法,一次输 王凯工程师。2010年7月毕业于辽宁石油化工大学化学工艺专业。主要从事化工设计和应力分析相关工作。联系电话 13321212065,Emailcecowk126.tom。 30 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 人各单元的基本参数、管道元件结构参数和边界 条件。基本参数主要包括管道系统中各管件的计 算温度、材料牌号、管道材质密度、介质密度、 绝热层厚度和密度等。管道元件结构参数主要包 括管道系统中各管道元件的形状、外径、壁厚和 长度等结构尺寸。 2.2边界条件的处理 边界条件主要包括管道系统中各管道元件的 约束条件、附加位移、管道系统端点类型等。对 于管道系统中的集中荷载、风荷载、地震荷载等 也可以按边界条件进行处理。 2.3程序运行 2.3.1数据检查 数据输入完成后,程序在进行数据检查后才 能进行静力计算。对于检查过程中出现的严重错 误,必须根据错误内容,检查原始数据并返回数 据输入状态下进行更正,以保证管道系统数据的 可靠性。 2.3.2定义计算工况 常用的荷载工况组合有 1水压试验工况HYDL WWHP, 计算管道系统在1.5倍运行压力下的应力,校核管 道系统在承受风荷载、地震荷载和瞬变冲击荷载 等临时荷载作用下管道系统安全性。 2操作荷载工况OPELzWDT P,计算管道对相连设备的作用力,以保证设备正 常运行;计算管道支吊架的受力,为支吊架强度 设计提供荷载数据;计算管道上法兰的受力,防 止法兰泄漏。 3持续荷载工况SUSL,WP,计 算压力荷载和持续荷载作用下的一次应力,防止 管道元件局部发生过度塑性变形而破坏。 4温度位移荷载工况EXPL4L 一 L,,计算热胀冷缩及端点附加位移等荷载作用下的 二次应力,防止管道元件发生疲劳破坏。 本节中符号说明①w代表管道自重;②D 代表位移荷载;③T代表温度荷载;④P代表压 力荷载。 2.4计算结果分析与判断 在完成管道应力计算后,对计算结果分析判 断,确认各数据是否在标准规定的安全范围内。 对于管道应力的校核,尤其是石化行业,通常按 照美国国家标准ASME B31.3来校核。 3设计实例 使用CAESARII应力分析软件对某合成氨、尿 素项目中氨合成装置开工加热炉进口合成气管道 进行详细的应力分析。 3.1管道的主要设计参数 管道介质为开工合成气主要成分为N 、H 和NH,,管道材料为12Cr2Mo,管径为D219mm 20mm,管道的操作温度198℃,操作压力 14.64MPa,设计温度250cC,设计压力16.5MPa, 与管道连接的设备管口初始位移见表1。 表1管系初始位移 3.2管道的应力计算 根据以上条件及管道轴测图,在CAESARII软 件中建立三维模型,见图1,其中管道A为管道运 行时的变形情况。 X 图1 配管模型及管道运行时的形变 从表1可知,节点3960在一x方向有较大的 初始位移,为了不影响加热炉管口的受力和力矩, 在管口远端的水平管上设置一个限位架,限位间 隙5mm,在水平管两端的4050和4140节点处考虑 采用弹簧架支撑管道,使弹簧架在承受一定载荷 的情况下又能允许管系有一定的垂直位移,从而 将约束放松,降低设备管口的受力和力矩。计算 结果表明该管道的一次应力、二次应力均符合标 准规范的要求;设备管口和支吊架的受力及设备 管口许用受力见表2和表3。 2013,235 王凯等压力管道静力分析在氨合成装置中的应用 31 FxN FyN FzN MxN‘m MyNm MzNm 3.3管系分析与调整 从表2可知,节点4050和4140两处支架受力 均在合理范围内;对照表3中管口许用受力,加热 炉进口一z方向推力偏大,各个方向的力矩极大, 均超过了API Std.560第9.2条中规定的加热炉管 口许用荷载和力矩。 从表1和图1可知,此管系在一x方向的初始 位移较大,水平管道受热膨胀,两者共同造成了 加热炉进口一Z方向的推力过大,各方向力矩严重 超标。分析认为,要减小加热炉进口各方向推力 和力矩,必须严格控制在一x方向初始位移的影 响,增加管道柔性。由于设备布置已经固定,做 大改动比较困难,因此只有通过更改管道走向, 吸收传递过来的初始位移,增加管道柔性,从而 降低管口推力和力矩,见图2。在初始位移反方向 增加倒u形弯来提高管道柔性,吸收管道初始位 移及产生的热胀力,同时省去限位架,改变两弹 簧的位置和型号,以达到加热炉进口受力和力矩 的最佳状态。 3.4结果与讨论 调整后的模型计算结果见表4,与表2中加热 图2修改后配管模型及管道运行时的形变 炉进口受力相比一z方向的推力由10458N降低到 2874N,加热炉进口X、Y和Z方向力矩分别从 37964Nm、10583Nm和18199Nm降低到 8177NIll、8489NI13和4452Nm,调整后的加 热炉管口受力均符合表3中许用受力的要求,各方 向力矩均稍大。由于API Std.560第9.2条中管口 许用受力计算值过于严格和保守,很难达到,因 此,将计算结果返给开工加热炉厂家进行核算, 符合厂家制造标准。 表4调整后的加热炉进口受力 4 结语 综上所述,管道应力分析及柔性设计在管道 设计中的作用是非常重要的。 1确保准确反映管系固有特征,管道边界 条件与实际一致,输人的支撑情况与实际情况相 符,仔细核对设备管口受力和力矩,尤其是敏感 设备。 2尽可能利用管道的自然补偿,从安全性 和经济性的角度都是可取的,当有空间限制或经 济核算作指导时可合理选用补偿器进行补偿。 3管道自重荷载在各支吊点的分配也很重 要,不同的荷载分配所产生的应力分析是不同的, 下转第46页 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 件紧急切断阀门独立冗余设计原则进行相应 设计,满足安全度等级要求。 LNG接收站卸料总管一般在40 以上,在出现 事故紧急切断同时,会造成很强的“水锤”效应, 在设计过程中采用Flowmaster2等流体分析软件, 综合考虑分析管道设计压力和阀门安全切断要求, 确定紧急切断时间,在保证安全前提下,尽量降 低卸料管道投资。 3.3.2泄压保护 为保证设备管线的安全稳定操作,设置安全 泄压措施。LNG接收站中LNG管线两切断阀问均 设置热膨胀安全阀,防止双阀切断形成死区导致 超压。LNG储罐设置有安全阀和破真空阀,保证 LNG储罐安全运行,同时考虑到LNG储罐连续运 行的特点,安全阀和破真空阀设有备用,在检修 期间,也需要保证LNG储罐具有充分安全泄放 能力。 3.3.3 LNG泄漏控制设施 为防止LNG泄漏而引起火灾/爆炸事故,在加 强设备、管道和阀门密封措施的同时,在生产装 置区除了设计可燃性气体检测火焰探测器和火灾 报警系统外,还设置低温检测系统来监测LNG 泄漏。 LNG卸料码头、LNG罐区、工艺区和LNG装 车区等均设置LNG事故收集系统。事故收集系统 由LNG泄漏收集区、导液槽和LNG集液池等组 成。泄漏的LNG收集到集液池内,以防止泄漏的 LNG四处溢流。LNG事故收集池限制了LNG的蒸 发,也减小了火灾时的热辐射危害。LNG收集池 还设置高倍数泡沫系统,当低温探测器探测到 LNG泄漏后,即自动向收集池内喷射高倍数泡沫 混合液,以抑制LNG蒸发速率。 3.3.4紧急排放设施 LNG接收站设置一套火炬系统,接收蒸发气 总管超压排放的气体。火炬上游低点位置设有火 炬分液罐,火炬集合管上接有一根低流量并连续供 应的燃料气或氮气管道管线,火炬头自带防回火 装置。 3.4减少和消除事故影响的安全设计 LNG接收站减少和消除事故影响的安全设计 主要依靠消防系统来实现,消防系统由灭火系统、 冷却系统和隔断系统等三部分组成 ]。根据LNG 特性,LNG接收站一般设置包括消防站、消防水 系统、高倍数泡沫灭火系统、干粉灭火系统、固 定式气体灭火系统、水喷雾系统、水幕系统、灭 火器等消防设施。 4 结语 对于LNG接收站而言,安全是至关重要的, 安全设计是保证LNG接收站安全、可靠运行的关 键因素。通过对危险性的分析评估,确定危险因 素,根据相关标准规范和运行管理经验,保证安 全设计系统全面到位,并通过采取适当的安全措 施防范可能发生的事故,保证LNG接收站安全稳 定运行。 参考文献 1 GB 182182009,危险化学品重大危险源辨识[s]. 2张国辉.大型LNG储罐灾难性破裂后LNG扩散范围分析 [J].安全健康和环境,2005,57. 3 GB/T 192042003,液化天然气的一般特性[s]. 4 AQT 30342010,化工企业工艺安全管理实施导则[s]. 上接第31页 应尽量使管系的一次应力分布均匀,并使其最大 值为最小。合理的自重分配是支吊架设置中应首 先考虑的问题。 参考文献 1王致祥等.管道应力分析与计算[M].北京水利电力出 版社,1983. 2唐永进.压力管道应力分析的内容与特点[J].石油化工 收稿日期20130501 设计,2008,2522024. 3李坚.管道应力分析及柔性设计[J].炼油技术与工程, 2010,4016l一64. 4章罡本,彭学院.CAESARII在往复压缩机管道振动及应力 分析中的应用[J].化工设备与管道,2007,44138 41. 5 API560,Fired Heaters for General Refinery Services,American Petroleum Institute. 收稿日期20130511

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