空分冷箱內管道設計的要點

黃 超(開封空分集團 設計研究院有限公司，河南 開封 475000)

空分冷箱內管道設計的要點

黃 超
(開封空分集團 設計研究院有限公司，河南 開封 475000)

空分冷箱內設備管道在低溫下工作，管道的合理設計對裝置的安全運行至關重要。通過對管道設計應注意的幾個重點，進行分析和制定方法，目的是保證裝置的安全可靠。

空分冷箱；管道設計；分析

1 概 述

空分冷箱內設備及管道在低溫下工作，很多因素都有可能造成管道或設備損壞。一旦泄漏，輕則冷箱結霜，造成冷量損失，整體裝置能耗升高；重則低溫液體泄漏遇熱會急劇膨脹，產生砂爆等事故，會給業主帶來極大的損失。因此在設計中，充分認識到管道設計的重要性，避免危險因素的產生，確保冷箱裝置安全、可靠、經濟的運行。

2 管道設計的注意事項

2.1 管道布置

管道強度破壞主要有由一次應力引起的斷裂破壞和二次應力引起的疲勞斷裂破壞。一次應力是由于壓力、重力和其他外力載荷的作用所產生的應力，本身應與外力相平衡，一次應力沒有自限性，隨所加載荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或持久強度時，將使管道發生塑性破壞或總體變形。管道布置首先應考慮一次應力滿足材料許用應力要求，保證管道的安全。對一次應力的評定應采用彈性理論進行，即一次應力不超過材料的屈服極限，引入安全系數，工程上一般限定管道的一次應力不得超過設計溫度下管道材料的許用應力。

二次應力是由于變形受到約束所產生的應力，本身不直接與外力相平衡，二次應力引起的主要是疲勞破壞，只要位移載荷及變形不大，不反復加載，不會導致管道的破壞。眾所周知，低溫管道在運行時有一定的收縮，如果不能保證管道具有良好的柔性，變形受到限制，管道兩端就會產生很大的應力，很容易就會破壞焊縫及設備管嘴，造成事故的發生。因此在管道布置上要保證管道具有良好的柔性，在冷箱內一般通過增加彎頭，改變管道走向，盡量設計為空間管系，這是因為空間管系的單元變形自由度較大，在相同載荷的作用下，其變形更容易。在安裝時要嚴格按照圖紙施工，避免不必要問題的發生。對二次應力的評定應采用彈塑性理論進行，可參照GB 50316或ASME B31.3相關校核條件，使得材料在二次應力的情況下處于安定狀態。

2.2 振動

空分冷箱的管道振動工況有很多種，如低溫離心泵，透平膨脹機，節流產生兩相流都會引起管道的振動。低溫離心泵一般帶有金屬軟管，透平膨脹機一般帶有波紋膨脹節，將轉動設備與相關管道及設備隔開，能有效降低管系振動且保證管道的力不會作用到動設備，從而有效保護設備和管系的安全穩定。除此之外，冷箱內比較典型的振動就是由節流引起的振動。兩相流是指管內的流體既有氣相又有液相。由于氣相和液相的密度相差很大且流速不同，因此管內流體對管道的作用力也不相同，作用力的不斷變化導致管道的振動。

例如：在空分內壓縮流程中往往會設置高壓液空節流閥，由于此閥前后壓差較大，閥后有一定的氣化率，會出現兩相流，管道運行中振動較大。如果管道設計不合理或閥架設計安裝不牢靠，很容易引起疲勞破壞，然后對裝置安全就會有很大的威脅。為了減小振動，首先布置管道時，在滿足柔性的前提下，應盡量減少彎頭的個數，閥后保證一定長度的直管段；其次管道支架應盡量采用支架，在適當位置設置導向架和限位架，要保證閥架設計具有足夠的剛度，必要時增加閥箱，方便檢修。安裝上要保證閥架按圖施工，焊接牢靠。

ASME B31.3明確要求，管道設計時要消除振動引起的過度和有害的影響，這個要求是通過在系統設計時在結構設計注意消除振動，而不是進行詳細的振動分析。由于振動機理的復雜性，無法準確模擬實際條件，管道設計者在設計時在保證管道柔性的情況下，應注重管系的剛度，必要時增加支架，盡量消除振動影響。

2.3 設備接管

對于靜設備，當管道對其作用力過大時，可能造成設備變形和局部應力過大，甚至會導致焊縫開裂，引起泄漏事故，其中受力狀況涉及到有一次應力，二次應力和峰值應力；一次應力是受載荷控制的應力，必須滿足外力、內力和力矩平衡的定律，其上限應不超過材料基本許用應力；二次應力受變形控制，一般為計算所得的器壁中壁厚方向的彎曲應力；在低于蠕變范圍的溫度時，一次應力加二次應力的組合應力基本限制在2倍屈服應力或安定極限。峰值應力是高度集中的應力，在做疲勞分析時考慮這一應力，空分冷箱內配管時一般不考慮峰值應力。靜設備(如塔器)受外載荷作用一般可采用WRC107或WRC297公報進行校核，因這兩個公報有使用條件的限制，必要時可采用有限元方法分析。

對于動設備，管嘴受力會影響設備的安全運行，受力要求非常嚴格，因此在設計時應對管口受力進行校核，盡量減小管口受力。動設備例如離心泵管口受力可采用API610標準進行校核，標準中已給定有允許管口載荷，管道布置必須使進出口管道具有足夠的柔性，以減小管道作用于泵管口處的力和力矩，且應保證泵殼體的任何變形將處于賣方設計準則，并保證泵軸位移在規定之內。膨脹機可采用美國石油協會標準API 617的校核準則對安裝工況和運行工況下的管道外加荷載進行校核。依據API 617 描述，膨脹機允許荷載校核共分3部分：(1)膨脹機增壓端、膨脹端單個進、出口荷載合成后單獨校核。(2)膨脹機進、出口荷載依據一定的參考位置組合后整體校核。(3)膨脹機進、出口荷載組合后各向分量單獨校核。膨脹機各管口出受力的整體綜合校核往往最難通過，因此計算時應綜合考慮各管口的受力，使不同管口處的作用力相互抵消；對膨脹機管道進行柔性分析時，不僅要使操作狀態下機器管口受力滿足API 617校核準則的要求，而且應使安裝狀態下管道對機器口的作用力盡量接近于零。

2.4 管架

管架作為管道設計重要的組成部分，其設置一直是管道設計人員的關注的重點，其中管架類型的正確選用及安裝位置至關重要。沿塔器布置的管道，其管道支架應安裝于塔器上，保證管道與設備的同步收縮；在保證管道前后滿足柔性要求的前提下，管道可固定于冷箱骨架上；長直管不可在沒有設置柔性彎的情況下兩端加固定架，其間為了滿足一次應力(主要為重力)的要求，可用托架或導向架，但要考慮管道的托空；

在進行管道應力分析時，由于軟件的局限性，不會對管道支架節點處支架受力進行校核，有時雖然管道柔性符合應力要求，但支架節點處受力較大，且支架選用較小或焊接不牢靠，位置不正確，導致在實際運行時，支架變形或破壞，管道受力條件變化，很有可能引起管道的失效，造成安全事故或經濟損失。因此設計人員在設計時應注意支架節點處受力大小，對支架進行校核，選用滿足要求的支架型材；施工時保證支架焊接牢靠，位置正確，緊固件連接牢固。

2.5 管道多工況條件

空分裝置在開車時程序的要求如氬系統投入一般較晚，此時粗氬塔、精氬塔及管道處于較高溫度狀態，與之聯系的主塔處于低溫狀態，其間相連的管道由于兩端處于不同溫度范圍變形較大，如果設計不合理，必然在管道上或設備管口處產生較大的二次應力，威脅管道的安全運行。用戶要求延遲或暫停投運氬系統都會出現類似情況，因此此系統管道設計時應對不同操作工況進行分析，進行設備和管道布置，在滿足管道一次應力在合理范圍情況下，使管道在不同工況下都具有足夠的柔性，保證系統的安全運行。

2.6 其他方面

其他因素諸如開孔補強不合格，會使三通處承受內壓能力不足，造成變形破壞；不必要的氣封、液封，使得流體介質堵塞，工藝流程無法實現；管材或壁厚錯用，會使得管道諸如耐腐蝕能力、耐低溫能力、承壓能力不滿足介質要求及應力水平過高，引起管道的失效等。面對這些問題需要設計及施工認真對待，認真核算相關內容，嚴格按圖施工，避免因疏忽大意造成的影響。

3 總 結

綜上所述，影響管道安全運行的因素有很多，有些問題一不小心就會忽略，因此要求在管道設計對對這些因素要有足夠的認識。設計人員要具有良好的技術素養，熟悉管道的工況，熟知標準規范，有分析的手段，才能確保低溫管道安全可靠地運行。

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Main Points of Piping Design in Air Separation Cold Box

HUANG Chao

(Design & Research Institute Co., Ltd. of Kaifeng Air Separation Group, Kaifeng 475000, China)

The reasonable design of the pipeline is very important for the safe operation of the equipments in the air separation cold box. This paper develops methods of piping design by the analysis, All is to ensure equipments safety.

air separation cold box; piping design; analysis

2016-11-18

TB65

A

1007-7804(2016)06-0027-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.06.008

黃 超(1988)，男，籍貫河南，大學本科，過程裝備與控制工程專業，現就職于開封空分集團設計研究院有限公司從事管道設計和應力分析工作，助理工程師職稱。