基于CAESAR II軟件解決灰水循環泵進出口管道的應力問題

付雷 米超輝(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

0 引言

煤化工項目氣化裝置內工藝用高壓高溫灰水循環泵為德士古氣化裝置關鍵設備，一開一備，一臺流量不足另一臺自動啟動，主要為氣化爐激冷室供激冷水以防止激冷室和下降管過熱變形，另外還向洗滌塔合成器管線上的文丘里洗滌器供洗滌水[1]。該泵一旦發生故障，極有可能引起系統跳車[1]。

灰水循環泵為端進頂出的臥式離心泵，泵進口管道原設計壓力為7.20MPa，出口管道設計壓力為9.50MPa，泵進出口操作溫度為245℃。離心泵管口承受管道作用力和力矩的允許值通常由制造廠提出，對于制造廠未提出受力要求的離心泵，其管口受力一般要求滿足API610的規定[2]。

1 存在的應力問題和解決辦法

1.1 存在問題

煤氣化裝置內的灰水循環泵進出口管道操作溫度高、設計壓力大，隨著裝置規模的擴大管徑亦增大、壁厚增加，大口徑管道剛度大、柔性差；該泵輸送的介質為高溫、高壓、帶固體顆粒的氣化黑水，易造成管道磨蝕、堵塞，為提高泵的吸入性能，工藝要求泵吸入管路應盡可能縮短，盡量少拐彎，以減少管道阻力損失；隨著建設用地規模減小、管廊跨距所限，導致灰水循環泵管道布置空間受限。在有限的空間內采用CAESAR II軟件進行應力分析，合理設置管道走向和管道支吊架型式及位置，既要滿足工藝要求，又要滿足應力要求，并使泵口承受管道作用力和力矩的允許值滿足制造廠或者API 610的要求，應力分析工作難度非常大。

1.2 解決辦法

煤氣化裝置內的灰水循環泵進出口管道的應力分析牽涉管機、工藝、機泵、管材、管道等多個專業，需要相互溝通、配合才能解決問題。

工藝專業在接收到工藝包時，應及時核對灰水循環泵進出口管道的管徑，在滿足工藝要求的前提下，盡可能減小管徑。機泵專業在確定灰水循環泵的進出口直徑時，應滿足工藝要求。綜合考慮投資的前提下，提高泵口直徑或者增加泵口承受管道作用力和力矩的允許值。

高溫高壓的灰水循環泵進出口管道，管壁厚、材料的線膨脹系數大、管道的剛度大、強度高。因此，在選材的過程中盡可能選擇耐高壓、耐高溫、管壁較薄的不銹鋼材料。

管道專業在布置管道時，應在滿足工藝要求的前提下，通過增設彎頭增加管道柔性。

2 基于CAESAR II軟件灰水循環泵進出口管道的應力分析

本文以國內某煤化工項目氣化裝置內的灰水循環泵進出口管道布置為例，調整管道相應參數，采用CAESAR II軟件對灰水循環泵進出口管道進行管道應力分析，優化模型，滿足設計要求，保證一次開車成功。

2.1 基本參數

該泵輸送的介質為高溫、高壓、帶固體顆粒的氣化黑水，泵進出口直徑分別為10″、8″，進出口管道直徑為16″，材料為TP304L，管道壁厚26mm。基礎工程設計階段該泵管口承受管道作用力和力矩的允許值為API610的兩倍[2]，坐標方向見圖1。

圖1 臥式泵管口坐標

2.2 基于CAESAR II軟件灰水循環泵進出口管道的應力分析

方案一：基礎工程設計階段配管專業提供的原管道走向、材質及管口受力允許值。

方案二：調整材質、管口受力允許值及經過應力分析優化管道布置后的新配管方案。

通過比較兩種方案的應力分析結果，對灰水循環泵進出口管道進行應力分析，最終方案既滿足工藝要求，又滿足應力要求，管口受力滿足制造廠要求。計算中管道標準采用美國的ASMEB31.3，灰水循環泵標準采用API610。

2.2.1 方案一及應力分析

基礎工程設計階段配管專業提供的原管道走向見圖2和圖3。

圖2 灰水循環泵原出口管道軸測圖

圖3 灰水循環泵原入口管道軸測圖

簡單描述：出口管道的60、180點，入口管道的225、250、310 點為彈簧支架；出口管道的266、285、600、625、630 點，入口管道的40、50、85、140、150、185、260 點為剛性承重支架，出口管道的85、105、205、225、250 點、入口管道的70、170、220 點為限位支架。

采用CAESAR II軟件計算分析灰水循環泵管口受力結果見表1所示。灰水循環泵入口承受管道的力Fx是允許值的1.2倍，入口承受管道的力矩Mz是允許值的2倍，出口承受管道的力矩Mx是允許值的1.5倍。入口管道上的限位支架現場施工困難，無法保證限位支架間隙精度。出口管道拐彎較多，管道阻力損失大，容易造成管道堵塞，不能滿足工藝要求。

分析造成灰水循環泵管口受力遠超允許值的原因：普通離心泵的進出口管道的管徑一般比泵進出口直徑大1～2級，泵口受力允許值為API 610標準的兩倍。該泵進口管道的管徑比泵進口直徑大3級，出口大4級，而泵口受力允許值仍按照API 610標準的兩倍考慮，偏于保守。選用的TP 304L不銹鋼管道壁厚值偏大，管道強度高，剛度大。

因此在詳細設計階段，經與工藝、機泵、材料專業以及制造廠溝通協調，將管道設計壓力、管道材料、泵口受力允許值進行調整，并采用CAESAR II計算分析，優化管道應力模型及支吊架位置和型式。

2.2.2 方案二及應力分析

經工藝專業核算，灰水循環泵進出口管道直徑不能縮小，但是出口設計壓力由10.00MPa調整為9.5MPa；機泵專業與制造廠溝通不增加泵口直徑而提高泵口受力允許值(由API610標準的兩倍提高為三倍)；材料專業將管道材料由TP 304L修改為TP 316。經分析計算優化后的灰水循環泵管口受力結果見表1。

表1 灰水循環泵管口受力荷載

經應力分析優化后的管道布置方案，灰水循環泵管口承受管道的力和力矩均小于制造廠給出的允許值，應力模型一、二次應力滿足標準要求，管道走向滿足工藝要求，現場一次開車成功，后期運行平穩。優化后管道上的限位支架現場便于施工。

3 結論與建議

高溫高壓灰水循環泵進出口管道的合理布置對于裝置的安全運行起著至關重要的作用，管道應力分析是保證管道安全運行的一種重要方法。本文以國內某煤化工項目氣化裝置內的灰水循環泵進出口管道布置為例，采用CAESAR II軟件進行應力分析和配管研究，通過調整管道設計壓力、管道材料、泵口受力允許值和優化管道走向及、合理設置支吊架型式和位置使之滿足應力、工藝及標準要求，得到了較為優化的配管設計。

由于大口徑的灰水循環泵進出口管道建設投資大，建議在設計的過程中綜合考慮，優化出最好的方案：

(1)綜合考慮管道材料成本、灰水循環泵成本、工藝對于壓力-流量-流速要求，確定管道設計壓力、材料、壁厚、管徑，灰水循環泵進出口管徑、泵口受力允許值等參數；

(2)在此參數下進行應力分析，優化管道布置，合理設置支吊架型式和位置，使應力模型滿足一、二次應力要求，管口受力滿足制造廠或標準要求，管道布置滿足工藝要求。