基于CAESARⅡ的線性低密度乙烯出料系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

曾兆強(qiáng) 昃 彬

中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250101

基于CAESARⅡ的線性低密度乙烯出料系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

曾兆強(qiáng)*昃 彬

中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250101

通過(guò)CAESARⅡ軟件對(duì)線性低密度乙烯出料系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和時(shí)程分析，計(jì)算得到脈動(dòng)沖擊荷載對(duì)管道系統(tǒng)及設(shè)備的影響，為管道支吊架選型、設(shè)備設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，保證裝置的安全運(yùn)行。

應(yīng)力分析 動(dòng)態(tài)荷載 模態(tài)及時(shí)程分析

管道是目前工程運(yùn)輸中廣泛使用的系統(tǒng)部件,其安全性和可靠性關(guān)系到整個(gè)裝置的安全生產(chǎn),日益受到關(guān)注[1]。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展,工藝的精細(xì)復(fù)雜化,裝置的大型化,溫度壓力的不斷升高,管道的工作工況更加復(fù)雜,在設(shè)計(jì)時(shí)常關(guān)注管道靜態(tài)工況而忽視了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì),裝置運(yùn)行中因振動(dòng),沖擊荷載導(dǎo)致的管道破壞實(shí)例越來(lái)越多[2]。管道系統(tǒng)對(duì)于大小相同的動(dòng)態(tài)載荷與靜態(tài)載荷的響應(yīng)大相徑庭，靜態(tài)荷載的加載緩慢，系統(tǒng)有足夠的時(shí)間做出響應(yīng)，通過(guò)內(nèi)部荷載分配而保持平衡狀態(tài)，而動(dòng)態(tài)荷載隨時(shí)間的變化迅速變化，管道系統(tǒng)沒(méi)有時(shí)間在內(nèi)部分配荷載，力與力矩不平衡，導(dǎo)致荷載失衡，管道發(fā)生振動(dòng)破壞等問(wèn)題。目前對(duì)于管道應(yīng)力分析主要通過(guò)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)分析，靜態(tài)分析考察管系一次應(yīng)力及二次應(yīng)力是否滿足要求，模態(tài)分析、諧波分析、時(shí)程分析等方法模擬管系在動(dòng)態(tài)荷載下響應(yīng)。時(shí)程分析運(yùn)用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程的值積分模擬荷載作用期間的系統(tǒng)響應(yīng)，是最精確的方法之一，通過(guò)動(dòng)態(tài)分析有利于在管道的設(shè)計(jì)階段優(yōu)化管道的設(shè)計(jì)，避免安全問(wèn)題的發(fā)生[3]。

1 線性低密度乙烯出料系統(tǒng)

該系統(tǒng)由兩套出料系統(tǒng)組成，交替運(yùn)行，能避免因其中一套出料線出現(xiàn)故障而影響正常生產(chǎn)，每條出料線包括一個(gè)產(chǎn)品出料罐、一個(gè)產(chǎn)品吹出罐，粉粒狀樹(shù)脂和反應(yīng)氣體從反應(yīng)器以脈動(dòng)方式進(jìn)產(chǎn)品出料罐。在出料罐內(nèi)樹(shù)脂與氣體分離，氣體返回反應(yīng)器，樹(shù)脂產(chǎn)品落入產(chǎn)品吹出罐，輸送氣進(jìn)吹出罐將產(chǎn)品送入脫氣倉(cāng)，此過(guò)程同樣為間歇運(yùn)行，存在壓力脈動(dòng)及柱塞流，整個(gè)出料每小時(shí)循環(huán)28次，流程見(jiàn)圖1。

圖1 線性低密度乙烯出料系統(tǒng)

2 出料系統(tǒng)靜態(tài)應(yīng)力分析

2.1 靜態(tài)模擬工況

根據(jù)裝置系統(tǒng)分析實(shí)際運(yùn)行可能出現(xiàn)管道或閥門(mén)堵塞，導(dǎo)致其中一條線或兩條線溫度升高而出現(xiàn)單線運(yùn)行或停車，將計(jì)算模型分為五種工況，見(jiàn)圖2。

2.2 靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

為了保證裝置安全，對(duì)出料所有管系進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算，調(diào)整管道走向及支架形式，得到冷態(tài)工況最大一次應(yīng)力和熱態(tài)工況最大二次應(yīng)力，冷態(tài)工況包括重力、壓力和彈簧力，熱態(tài)工況為純溫度差應(yīng)力，一次應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)為2216點(diǎn)，見(jiàn)圖3，應(yīng)力水平41.4%,符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，二次應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)為1840點(diǎn)，見(jiàn)圖4，應(yīng)力水平66.5%,符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖2線性低密度乙烯出料系統(tǒng)計(jì)算模型

圖3 管系一次應(yīng)力

圖4 管系二次應(yīng)力

3 管系的動(dòng)力響應(yīng)分析

管系的動(dòng)力響應(yīng)分析主要包括管道在流體壓力脈動(dòng)、柱塞流等作用下的位移及應(yīng)力計(jì)算,并限制在允許的位移和強(qiáng)度范圍內(nèi)[4]。同時(shí)還包括對(duì)管道振動(dòng)性的判斷，管道因振動(dòng)破壞的原因主要取決于振幅及頻率、交變應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)，壓力脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致管道彎頭出現(xiàn)不平衡力，荷載大小出現(xiàn)變化，作用力大小由式(1)計(jì)算，柱塞流在彎頭處會(huì)發(fā)生動(dòng)量變化，對(duì)彎頭產(chǎn)生作用力，作用力大小等于給定時(shí)間內(nèi)動(dòng)量變化，由式(2)計(jì)算[5]。

(1)

(2)

式中，P為動(dòng)量，N.S；ω為脈動(dòng)角頻率，rad/s；A為管道內(nèi)截面面積，m2；L為彎頭之間長(zhǎng)度，m；c為流體音速/m/s；ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；v為流體速度，m/s；θ為彎頭角度。

該裝置中，當(dāng)反應(yīng)器出料管道閥開(kāi)啟時(shí)，出料管道彎頭處承受由壓力脈動(dòng)帶來(lái)的脈動(dòng)沖擊以及因柱塞流帶來(lái)的脈動(dòng)沖擊，管道內(nèi)壓力由0達(dá)到2.415MPa，介質(zhì)密度336kg/m3，管徑為Φ219.1×8.18，假設(shè)壓力峰值在t=0時(shí)刻到達(dá)彎頭，流體音速340m/s，介質(zhì)流速v =27.9m/s，彎頭角度90°，帶入式(1)、式(2)，計(jì)算得到在出料管道中四個(gè)彎頭處會(huì)產(chǎn)生77.9kN的壓力脈動(dòng)沖擊力，11.9kN柱塞流的脈動(dòng)沖擊力，出料管道模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 出料管道模態(tài)分析

由圖5可知，管系一階固有頻率6.174，大于脈動(dòng)激發(fā)頻率3.3，滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)吹出罐底部出料閥開(kāi)啟，沖擊荷載經(jīng)5ms達(dá)到峰值，以聲速依次傳播至各彎頭，最后進(jìn)脫氣倉(cāng)，出料管道各彎頭處脈動(dòng)沖擊循環(huán)荷載見(jiàn)圖6，為計(jì)算脈動(dòng)沖擊荷載對(duì)管系的影響，將時(shí)間力曲線激勵(lì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域動(dòng)態(tài)荷載系數(shù)曲線，并將力在X、Y兩個(gè)方向乘以荷載因子加載到各彎頭，各彎頭荷載因子見(jiàn)表1。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 應(yīng)力分布

為計(jì)算脈動(dòng)沖擊荷載對(duì)管系的沖擊作用，取靜態(tài)工況下最大一次應(yīng)力和脈動(dòng)沖擊工況下最大偶然應(yīng)力進(jìn)行比較，靜態(tài)工況包括重力、壓力等持續(xù)載荷工況，脈動(dòng)沖擊荷載工況包括重力、壓力、脈動(dòng)沖擊力，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖6 出料管道各彎頭脈動(dòng)沖擊荷載曲線

表2 應(yīng)力分布對(duì)比

由表2可見(jiàn)，靜態(tài)工況與脈動(dòng)沖擊工況最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生了變化，脈動(dòng)沖擊荷載對(duì)管道的應(yīng)力作用明顯，改變了管道系統(tǒng)應(yīng)力分布狀態(tài)，所以在應(yīng)力計(jì)算中不能忽視動(dòng)態(tài)荷載對(duì)管系的影響，需要在設(shè)計(jì)時(shí)采取合理措施，比如設(shè)計(jì)合理管徑及流速，閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，管道布置時(shí)盡量減少?gòu)濐^個(gè)數(shù)，采用大曲率彎頭等減小荷載對(duì)管道破壞。

4.2 支架荷載

支架1為導(dǎo)向與限位架組合，支架2為固定架，其在靜態(tài)操作工況與脈動(dòng)沖擊工況受力見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，脈動(dòng)沖擊荷載下支架受力遠(yuǎn)大于靜態(tài)操作工況下受力，為減輕脈動(dòng)沖擊荷載對(duì)管道及支架的破壞，又不影響管道熱膨脹，可以在管道合適位置設(shè)置阻尼器，以分擔(dān)支架受力，防止管道振動(dòng)過(guò)大破壞，脈動(dòng)沖擊工況下計(jì)算結(jié)果可以為支架選型提供參考。

表3 支架荷載對(duì)比

4.3 管口力荷載

產(chǎn)品吹出罐管口在靜態(tài)操作工況與脈動(dòng)沖擊工況力與力矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 吹出罐管口荷載對(duì)比

由表4可見(jiàn)，兩種工況下管口力與力矩差別巨大，脈動(dòng)沖擊荷載對(duì)設(shè)備安全產(chǎn)生較大影響，設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)荷載下管口受力，并做補(bǔ)強(qiáng)，以保證設(shè)備在動(dòng)態(tài)沖擊荷載下安全運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ?qū)Φ兔芏染€性乙烯出料系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)力分析，同時(shí)采用模態(tài)分析和時(shí)程方法對(duì)出料管道脈動(dòng)沖擊工況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，對(duì)比靜態(tài)與動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)分析結(jié)果相差較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)荷載對(duì)管系的影響。

(2)動(dòng)態(tài)分析更能反應(yīng)管道系統(tǒng)真實(shí)反應(yīng)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)措施，減小動(dòng)態(tài)沖擊荷載對(duì)管道系統(tǒng)的影響，保證裝置安全運(yùn)行。

(3)脈動(dòng)沖擊荷載對(duì)管道的應(yīng)力、支架荷載及設(shè)備管口受力有較大影響，對(duì)管道支吊架選型、設(shè)備設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確的參考。

1 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析(第二版)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2010.

2 蔡而輔.石油化工管道設(shè)汁[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

3 蔡亦鋼，盛敬超.流體輸送管道動(dòng)力響應(yīng)分析[J].流體機(jī)械，1986,(12):39-43+67.

4 齊一芳.往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)機(jī)理及管道防振設(shè)計(jì)[J].河南化工,2007 ,24 (9):43-45.

5 王戰(zhàn)勇，李 剛，方 新，劉 敏等.柱塞流和水錘荷載的應(yīng)力模擬方法[J].石油工程建設(shè),2011,37 (1):8-11.

*曾兆強(qiáng)：助理工程師。2014年畢業(yè)于山東大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事管道設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析工作。聯(lián)系電話：(053)155656081，E-mail: zengzhq4@cnooc.com.cn。

2017-07-26)