聚乙烯裝置工業(yè)高壓管線設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析

葉 源

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司塑料部， 200540)

吳 勇

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

聚乙烯裝置工業(yè)高壓管線設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析

葉 源

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司塑料部， 200540)

吳 勇

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

某聚乙烯生產(chǎn)裝置長(zhǎng)期在高溫、高壓條件下服役，為保證該管線安全高效運(yùn)行，從理論計(jì)算入手，同時(shí)采用國(guó)際公認(rèn)的管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ?qū)芫€進(jìn)行應(yīng)力分析，為高壓管線的設(shè)計(jì)提供整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依據(jù)。

聚乙烯 高壓管線 應(yīng)力分析 CAESAR

隨著石油化工的發(fā)展，聚乙烯生產(chǎn)得到迅速發(fā)展，其生產(chǎn)方法有高壓法、低壓法和中壓法3種。某石化公司高壓聚乙烯裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)1PE裝置)于1976年建成投產(chǎn)，采用日本三菱油化－德國(guó)BASF超高壓管式“E”法工藝技術(shù)，后經(jīng)兩次增量改造，在無(wú)大檢修情況時(shí)，產(chǎn)量90 kt/a，該裝置是目前國(guó)內(nèi)同類(lèi)裝置中服役時(shí)間最長(zhǎng)的［1］。由于管道材料在高溫、高壓下長(zhǎng)期工作，為保證該管線長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全高效運(yùn)行，對(duì)該管道進(jìn)行理論計(jì)算與應(yīng)力分析。文章主要分析管道組成件中管子的設(shè)計(jì)計(jì)算，并采用CAESAR軟件對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析，包括管道組成件的設(shè)計(jì)計(jì)算和管系柔性分析等多項(xiàng)內(nèi)容。

1 管線的理論計(jì)算

該1PE裝置管道的設(shè)計(jì)壓力P=35 MPa，設(shè)計(jì)溫度T=350℃，管內(nèi)介質(zhì)為乙烯氣，集管外徑Dw1=89 mm，支管外徑Dw2=60 mm。管道材料選用16Mn，在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力［σ］t=133 MPa［2］。

高壓管道在只承受內(nèi)壓作用，且當(dāng)δ0＜Dw/6時(shí)，其直管的計(jì)算厚度δ0可按式(1)計(jì)算:

設(shè)計(jì)厚度為計(jì)算厚度與厚度附加量(C)之和，厚度附加量包含腐蝕、沖蝕裕量(C2，取3 mm)和機(jī)械加工深度(C3，取 0．5 mm)［3］，即:

經(jīng)計(jì)算得，集管的設(shè)計(jì)厚度δ01=14.10 mm，支管的設(shè)計(jì)厚度 δ02=10.64 mm。按《GB/T 17395—2008無(wú)縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》規(guī)定，集管壁厚取16 mm、支管壁厚取12 mm即可。每個(gè)管道系統(tǒng)還應(yīng)進(jìn)行壓力試驗(yàn)以保證其承壓強(qiáng)度和密封性，因此在初次運(yùn)行前還需進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

2 高壓管道系統(tǒng)應(yīng)力分析

管道應(yīng)力分析應(yīng)保證管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支撐或端點(diǎn)附加位移造成應(yīng)力強(qiáng)度問(wèn)題。管道應(yīng)力分析主要驗(yàn)算管道在內(nèi)壓、持續(xù)外載作用下的一次應(yīng)力和由于熱脹、冷縮及其他位移受約束產(chǎn)生的二次應(yīng)力，以判明所計(jì)算的管道是否安全、經(jīng)濟(jì)、合理;計(jì)算管道由于熱脹、冷縮及其他位移受約束和持續(xù)外載作用產(chǎn)生的對(duì)設(shè)備的推力和力矩，以判明是否在設(shè)備所能安全承受的范圍之內(nèi)。

一次應(yīng)力(SUS)是指由機(jī)械外載荷引起的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，它必須滿(mǎn)足外部和內(nèi)部的力和力矩的平衡法則。一次應(yīng)力具有非自限性，它始終隨所加載荷的增加而增加，超過(guò)材料的屈服極限或持久極限時(shí)，將使管道發(fā)生塑性破壞或總體變形，因此在管系的應(yīng)力分析中，首先應(yīng)使一次應(yīng)力滿(mǎn)足許用應(yīng)力值。二次應(yīng)力(EXP)是指由于變形受到約束所產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它本身不直接與外力平衡。二次應(yīng)力是自限性的，當(dāng)局部屈服和產(chǎn)生少量塑性變形時(shí)，通過(guò)變形協(xié)調(diào)就能使應(yīng)力降低。管道內(nèi)二次應(yīng)力通常是由于位移載荷引起的(如熱膨脹、附加位移、安裝誤差、振動(dòng)等)。

本設(shè)計(jì)采用專(zhuān)業(yè)管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ，它是以梁?jiǎn)卧Ｐ蜑榛A(chǔ)的有限元分析程序，可以用于分析大型管系、鋼結(jié)構(gòu)、或者二者結(jié)合的模型，廣泛地應(yīng)用于石油、石化、化工、電力、鋼鐵等行業(yè)。CAESARⅡ既能夠進(jìn)行靜應(yīng)力分析也能進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力分析;它不但可以根據(jù)ASME B31系列以及其他國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力校核，還可以按照WRC、API、NEMA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜設(shè)備和動(dòng)設(shè)備的受力校核［4］。

2.1 管道計(jì)算模型

計(jì)算管道的幾何模型如圖1和圖2。其中主(集)管尺寸為Ф89 mm×16 mm，支管尺寸為Ф60 mm×12 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)計(jì)算管路出口端(連接高壓循環(huán)氣體分離器)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，用一段長(zhǎng)2 m的管子代替出口管路對(duì)計(jì)算管路的影響。整個(gè)計(jì)算模型中還包括以下管件:DN80帶頸法蘭2只、DN80法蘭蓋1只、DN50帶頸法蘭6只、閥門(mén)3只、DN50螺紋法蘭3只。

圖1 計(jì)算管道模型(俯視圖)

圖2 計(jì)算管道模型(左視圖)

2.2 節(jié)點(diǎn)及單元編號(hào)

對(duì)上述模型建模的過(guò)程中，須對(duì)整體劃分單元和節(jié)點(diǎn)，單元編號(hào)由程序根據(jù)節(jié)點(diǎn)的輸入順序自動(dòng)完成。節(jié)點(diǎn)的編號(hào)須人工指定，具體編號(hào)見(jiàn)圖3。

圖3 模型節(jié)點(diǎn)編號(hào)

2.3 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

管路設(shè)計(jì)壓力35 MPa，設(shè)計(jì)溫度350℃;由于介質(zhì)為乙烯氣，且管子內(nèi)徑不大，所以忽略介質(zhì)的重力;根據(jù)實(shí)際工況，不考慮保溫和動(dòng)載荷等。如上述模型圖所示，根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行簡(jiǎn)化施加邊界條件。對(duì)于支管段與設(shè)備法蘭連接的螺紋法蘭端，即節(jié)點(diǎn)460、560、660三處施加固定約束;對(duì)閥門(mén)(單元 420－430、520－530、620－630)施加Y 以及導(dǎo)向(Guide，Gap=5.0 mm，Mu=0.3)的約束，在集管的出口法蘭端(節(jié)點(diǎn)900)處施加+Y和+X約束;對(duì)管道的末端施加固定約束。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

一次應(yīng)力工況為SUS，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖 4;二次應(yīng)力工況為EXP，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。

查看應(yīng)力分析報(bào)告可知，410節(jié)點(diǎn)的一次應(yīng)力值最大，為38.87 MPa，16Mn材料在350℃下的許用應(yīng)力為133.00 MPa;900節(jié)點(diǎn)二次應(yīng)力值最大，為 94.01 MPa，許用應(yīng)力為 381.26 MPa。900節(jié)點(diǎn)處在操作工況(OPE)下X向約束反力最大，F(xiàn)x=16 602 N，F(xiàn)y=0 N，合力 F=16 602 N。三個(gè)閥門(mén)支座Y方向上的反力最大為4 372 N。操作工況下，節(jié)點(diǎn)500的X向位移取得最大值，為5.805 mm;節(jié)點(diǎn)800的Y向位移取得最大值，為1.812 mm;節(jié)點(diǎn)699的Z向位移取得最大值，為1.686 mm;節(jié)點(diǎn)500的總體位移取得最大值，為6.040 mm。顯然，這都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和安全的。

圖4 一次應(yīng)力云圖(按應(yīng)力值劃分)

圖5 二次應(yīng)力云圖(按應(yīng)力值劃分)

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)在壓力管道的設(shè)計(jì)中，管道壁厚十分關(guān)鍵，它會(huì)影響管系應(yīng)力分布、施工等多個(gè)環(huán)節(jié)，因此要合理選擇，不能太薄，也不能太厚。

(2)管道應(yīng)力分析可以輔助壓力管道布置設(shè)計(jì)，使分析結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，從而保證管道自身和與其相連的機(jī)器、設(shè)備等的安全，在壓力管道設(shè)計(jì)中起著重要作用。

(3)該高壓管路的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足應(yīng)力強(qiáng)度要求，也是安全可行的。

［1］ 郭文．高壓聚乙烯在役老裝置高能耗原因分析及對(duì)策［J］．石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2011，27(3):49－53．

［2］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB/T 20801．2—2006壓力管道規(guī)范工業(yè)管道(第2部分):材料［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

［3］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB/T 20801．3—2006壓力管道規(guī)范工業(yè)管道(第3部分):設(shè)計(jì)和計(jì)算［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

［4］ 唐永進(jìn)．壓力管道應(yīng)力分析［M］．北京:中國(guó)石化出版社，2003．

Design of Industrial High－Pressure Pipeline for PE Plant and its Stress Analysis

Ye Yuan
(Plastics Pivision，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)
Wu Yong
(School of Mechanical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237)

A PE plant has long been in service in conditions of high temperature and high pressure．In order to ensure the safe and high － efficient operation of pipelines，stress on the pipeline was analyzed based on theoretical calculation and with internationally recognized pipeline stress analysis software CAESAR II，so as to provide basis of integrated structure strength for design of high－pressure pipeline．

PE，high － pressure pipeline，stress analysis，CAESAR

1674－1099 (2012)05－0031－03

TU279.7+6

A

2012-07-31。

葉源，男，1976年出生，畢業(yè)于上海大學(xué)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)，工程師，現(xiàn)從事設(shè)備管理工作。