關于空分設備冷箱內管道設計及應力分析

顧金寶

南京三方化工設備監理有限公司（化學工業設備質量監督檢驗中心) 江蘇南京 210036

進入二十一世紀以來，大型冶金和大型煤化工企業取得飛速發展，單套空分設備在科學技術快速發展影響下不斷完善。冷箱內壓力管道是空分設備中的重要組成部分，與其他組成部分相比，冷箱內壓力管道結構尤其復雜。空分設備為了滿足各大型企業發展的實際需求也不斷向大型化發展，冷箱內管道直徑不斷增加。加強空分設備冷箱內管道設計，并對應力進行分析是保證空分設備穩定、安全運行的重要手段。

一、國內空分設備冷箱內管道設計現狀

1.規范化設計

冷箱內壓力管道設計具有隨意性的特點，同統一位置出發到同一終點的過程中會使用多種不同的設計形式和走向，設計方案也千差萬別。一套空分設備內壓力管道有140根左右，在長期發展過程中，已經形成了一套比較系統和完善的設計規劃。在大型空分設備中，空分設備的等級不斷提升，各設備在設計設計過程中已處于比較安全的狀態。

2.總體布置

隨著空分設備的大型化發展，氪氙和氖氦氣體提取塔在空分設備中取得廣泛應用。空分設備中冷向內管道設計內容比較復雜，主要包括多個容器和多種閥門的合理布置。因此，冷箱內管道設計必須提前完成，對相關容器和閥門進行模擬設計，結合系統的實際要求合理安排容器和閥門位置。另外，設計人員在總體布置的過程中還應該注重管道的受力情況，無論是臥式主冷凝器還是立式主冷凝器的受力狀況都會直接影響設計結果。

二、空分設備冷箱內管道設計及應力分析

1.空分設備冷箱內管道設計

（1）材料單元庫的建立

三維工廠模型設計系統自帶的元件庫很難滿足冷箱內管道設計的實際需求，設計人員應該在充分了解冷箱內管道的實際狀況后，具有針對性地建立不同內容的元件庫。元件庫中必須同時包括特殊性數據，不僅要對元件進行簡單描述、還要明確元件的質量和相關幾何參數，為后期二維出圖以及調諧材料報表提供數據準備。

（2）管道的三維造型

圖1：俯視圖

計算機三維設計與二維設計相比具有明顯的優勢，在實際設計過程中，計算機三維設計以實際比例尺為出發點，建立健全的三維模型。設計人員在確定管道的起點和重點位置后，確定管道的實際特性，明確各管道在管線中的具體位置，三維工廠模型設計系統會自動從管件庫中提出相關數據信息，結合數據信息的特點自動生成管道圖，設計人員還能隨時更改管道圖中的信息。管道圖確定后，設計人員還能提出各位置的剖面圖，下圖是中石化空分設備管道俯視圖。

（3)碰撞檢查

管道三維模型建立成功之后，設計人員還應該對其安全性進行最后一次確認，為空分設備的穩定運行提供安全保障。設計人員可以將管道三維模型與空分設備和冷箱組合成蒸餾塔模型，對該模型進行碰撞實驗，三維工廠模型設計系統會自動在屏幕上顯示碰撞試驗結果，并生成碰撞檢查報告，針對檢查報告中的內容，設計人員在認真檢查后可以結合實際情況對管道三維模型進行修改，進一步提高空分設備的安全水平。

(4)材料報表的生成

管道三維模型建成后，設計人員還應該及時分析管道的柔性狀態，三維工廠模型設計系統能夠自動從管道元件庫中提出數據信息了解元件的基本特征，針對原件的實際特性和管道的立體實際尺寸，自動生成管道材料報表。

2.應力分析

(1）管道柔性計算范圍

管道設計溫度在40°C左右；柔性計算的公稱直徑范圍與設計溫度和管道的實際位置已經確定；管道受室外環境溫度影響；管道小支管與大管連接的狀態下符合管道柔性計算要求。當管道與一般管道運營情況保持一致。管道與經過柔性處理的管道相比沒有變化時不需要做柔性計算。因此，設計人員在應力分析過程中必須明確管道是否需要柔性計算，才能從根本上提高空分設備的運行水平。

（2）管道應力校核

管道的應力校核分為一次應力校核和二次應力校核兩種。一次應力校核中如果許用值小于節點應力，表示一次應力校核不通過，相反，當許用值大于或者等于節點應力時，一次應力校核即可以通過。當許用應力超過實際范圍后，設計人員應該在內部合理布置支架；為了保障管道自動伸縮正常，設計人員還應該在容器管口等位置設置貼板，使管道和容器在同一時間內同步伸展。二次應力校核時當許用值大于或者等于節點應力時，二力校核即可以通過，當節點應力大于許用值時，一次應力校核通過。二次應力校核過程中改變管道柔性的方法主要有改變關乎到的方向、增加補償器以及選用彈性支吊架等。

結束語

空分設備冷箱內管道設計從根本上提高了空分設備的穩定性和安全性。設計人員應該針對大型設備的實際狀況，結合冷箱內管道分布的實際狀況，采取有效措施對冷箱內管道進行優化處理，為提高空分設備的運行水平提供技術保障。

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