空冷器入口管線的應力分析

陸 陽

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061)

空冷器是石油化工行業一種常用的冷換設備，其設備布置和管道布置除了應滿足冷換設備的一般規定外，有其自身的特點和要求。空冷器是以空氣作為冷卻介質，強迫空氣通過傳熱管外面的翅片以冷卻管內介質的間壁式換熱器，可用作冷卻器和冷凝器。

空冷器的應用范圍有塔頂油氣冷凝，汽油、柴油冷卻等多種工況[1]。對于某些裝置，空冷器的管線管徑較大，為提高空冷器管線的安全性，常對其進行應力分析，以便進行合理的管線布置。CAESAR Ⅱ廣泛應用于石油、化工、冶金等行業[2]。本文利用CAESAR Ⅱ對某石化公司C7+分離裝置兩種不同入口口徑的空冷器管線進行應力分析，找出使管線、設備管嘴受力均滿足安全要求的管線安裝方式。

1 管線設計基本條件

圖1 A701空冷器空冷器流程簡圖

圖2 A702空冷器空冷器流程簡圖

空冷器位號A701A702最高操作溫度/℃165212最高操作壓力/MPa0.480.53空冷器入口管嘴公稱直徑DN200DN300管道材質20#碳鋼20#碳鋼介質密度/(kg/m3)5.2410.72

本文對兩種不同管口直徑的空冷器入口管線進行應力分析。A701空冷器的入口管嘴直徑為DN200，A702的入口管嘴直徑為DN300，流程簡圖見圖1與圖2。空冷器入口管線參數見表1。

表2 接管允許承受的彎矩和力

圖3 表2中力和力矩坐標系

空冷器管嘴受力不應超過制造廠提供的允許值。圖3為空氣器管嘴力和力矩坐標系，表2為空冷器接管允許承受的彎矩和力。本項目與空冷器廠家簽訂技術協議時，要求空冷器入口管嘴受力按照NB/T 47007-2010(中國人民共和國行業標準)中對表2中數值的2倍進行設計(見表2與圖3[3])。

2 管線應力分析

2.1 A701空冷器

2.1.1 管系模型

對A701流程圖中的管道進行應力分析，初始配管模型如圖4所示。

圖4 空冷器入口應力模型

2.1.2 模型應力分析

運行模型，生成Caesar II應力計算報告。主要分析結果如下：

①一次應力比率為16.1%，二次應力比率為38%，說明管系的柔性足夠。

②表3為A701空冷器入口熱態受力情況。可以看出，A701空冷器B、C、D的入口熱態受力情況不能滿足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求，扭矩MZ偏大，偏大的原因主要是由于熱漲導致管系位移相互作用的結果。

因此該管系需要尋求更合理的布管方式與支架設置方式。

表3 A701空冷器入口熱態受力情況

2.1.3 優化后的管系模型

經過對受力的分析，本文對該管系進行了優化，主要為調整了支架的位置，縮短了入口管線的直管段長度。優化后的應力模型如圖5所示。

圖5 優化后A701空冷器入口應力模型

運行該應力模型，得到優化后模型的應力報告。主要分析結果如下：

①一次應力比率為10.7%，二次應力比率為21.7%。說明優化后的模型同樣滿足管道柔性的要求，并且比初始模型的柔性更好。

②表4為優化后A701空冷器入口熱態受力情況。由表中可以看出優化后的空冷器入口管嘴受力可以滿足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求。從未優化前管嘴受力表3中可以看出，超出2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的部分是-Z方向上的扭矩，因此縮短入口前Y方向上直管段的距離與調整支架的位置，可以有效減小-Z方向上的扭矩，但是不可太短，要預留足夠的人行通道空間。

表4 優化后A701空冷器入口熱態受力情況

2.2 A702空冷器

2.2.1 初始管系模型

空冷器入口盡量采用平均分配的進料方式，但是由于A702空冷器入口管嘴的管徑為DN300，管線較粗，因此不能用與A701空冷器相同的配管方式，A702空冷器入口配管初始模型如圖6所示。

圖6 A702空冷器入口應力模型

2.2.2 模型應力分析

①一次應力比率為11.2%，二次應力比率為13%。說明管系的柔性足夠。

②表5為A702空冷器入口熱態受力情況。可以看出，A702空冷器B入口熱態受力情況不能滿足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求，-Z方向扭矩MZ偏大。因此該管系需要尋求更合理的布管方式與支架設置方式。

表5 A702空冷器入口熱態受力

2.2.3 優化后的管系模型

經過對受力的分析，本文對該管系進行了優化。優化后的應力模型如圖7所示。

圖7 A702優化后的應力模型

2.2.4 優化后模型的應力分析

運行該應力模型，得到優化后模型的應力報告。主要分析結果如下：

①一次應力比率為19.5%，二次應力比率為13.3%。

②該空冷器入口管線管徑較大，受管徑與標高的限制，可調整幅度較小。因此考慮與原設計方案相反方向接入管嘴。表6為優化后A702空冷器入口熱態受力情況。由表中可以看出優化后的空冷器入口管嘴受力可以滿足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求。

表6 優化后A702空冷器入口熱態受力

3 空冷器管線支架

兩種不同管線布置的空冷器并排布置，需要設計合適的空冷器管線支架進行支撐，通過對比應力分析結果與配管模型，空冷器管線支架模型如圖8所示。

圖8 空冷器管線支架模型

4 結論

(1)不同入口管徑的空冷器管線需要考慮不同的配管方案與應力分析方案。

(2)縮短特定位置的直管段長度、調整支架的位置與改變管線走向，都能有效的降低空冷器管嘴的扭矩。

(3)空冷器入口管線需要根據配管模型與應力分析結果設計專門的空冷器管線支架進行支撐。

[1] 李 誠.淺談空氣冷卻器在化工領域中的應用[J].化工設備與管道,2002(5):22-23．

[2]唐永進壓力管道應力分析[M].2版.北京:中國石化出版社,2003．

[3]國家能源局. NBT 47007-2010 空冷式熱交換器[S].北京:新華出版社,2010:19-20.