基于CAESAR II軟件解決灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道的應(yīng)力問(wèn)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(xiàng)目氣化裝置內(nèi)工藝用高壓高溫灰水循環(huán)泵為德士古氣化裝置關(guān)鍵設(shè)備，一開(kāi)一備，一臺(tái)流量不足另一臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)，主要為氣化爐激冷室供激冷水以防止激冷室和下降管過(guò)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(fā)生故障，極有可能引起系統(tǒng)跳車[1]。

灰水循環(huán)泵為端進(jìn)頂出的臥式離心泵，泵進(jìn)口管道原設(shè)計(jì)壓力為7.20MPa，出口管道設(shè)計(jì)壓力為9.50MPa，泵進(jìn)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(duì)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(guī)定[2]。

1 存在的應(yīng)力問(wèn)題和解決辦法

1.1 存在問(wèn)題

煤氣化裝置內(nèi)的灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道操作溫度高、設(shè)計(jì)壓力大，隨著裝置規(guī)模的擴(kuò)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(zhì)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(yīng)盡可能縮短，盡量少拐彎，以減少管道阻力損失；隨著建設(shè)用地規(guī)模減小、管廊跨距所限，導(dǎo)致灰水循環(huán)泵管道布置空間受限。在有限的空間內(nèi)采用CAESAR II軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，合理設(shè)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(yīng)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(yīng)力分析工作難度非常大。

1.2 解決辦法

煤氣化裝置內(nèi)的灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道的應(yīng)力分析牽涉管機(jī)、工藝、機(jī)泵、管材、管道等多個(gè)專業(yè)，需要相互溝通、配合才能解決問(wèn)題。

工藝專業(yè)在接收到工藝包時(shí)，應(yīng)及時(shí)核對(duì)灰水循環(huán)泵進(jìn)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(jī)泵專業(yè)在確定灰水循環(huán)泵的進(jìn)出口直徑時(shí)，應(yīng)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(huán)泵進(jìn)出口管道，管壁厚、材料的線膨脹系數(shù)大、管道的剛度大、強(qiáng)度高。因此，在選材的過(guò)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(yè)在布置管道時(shí)，應(yīng)在滿足工藝要求的前提下，通過(guò)增設(shè)彎頭增加管道柔性。

2 基于CAESAR II軟件灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道的應(yīng)力分析

本文以國(guó)內(nèi)某煤化工項(xiàng)目氣化裝置內(nèi)的灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道布置為例，調(diào)整管道相應(yīng)參數(shù)，采用CAESAR II軟件對(duì)灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道進(jìn)行管道應(yīng)力分析，優(yōu)化模型，滿足設(shè)計(jì)要求，保證一次開(kāi)車成功。

2.1 基本參數(shù)

該泵輸送的介質(zhì)為高溫、高壓、帶固體顆粒的氣化黑水，泵進(jìn)出口直徑分別為10″、8″，進(jìn)出口管道直徑為16″，材料為T(mén)P304L，管道壁厚26mm。基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)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(biāo)方向見(jiàn)圖1。

圖1 臥式泵管口坐標(biāo)

2.2 基于CAESAR II軟件灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道的應(yīng)力分析

方案一：基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)階段配管專業(yè)提供的原管道走向、材質(zhì)及管口受力允許值。

方案二：調(diào)整材質(zhì)、管口受力允許值及經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析優(yōu)化管道布置后的新配管方案。

通過(guò)比較兩種方案的應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道進(jìn)行應(yīng)力分析，最終方案既滿足工藝要求，又滿足應(yīng)力要求，管口受力滿足制造廠要求。計(jì)算中管道標(biāo)準(zhǔn)采用美國(guó)的ASMEB31.3，灰水循環(huán)泵標(biāo)準(zhǔn)采用API610。

2.2.1 方案一及應(yīng)力分析

基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)階段配管專業(yè)提供的原管道走向見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 灰水循環(huán)泵原出口管道軸測(cè)圖

圖3 灰水循環(huán)泵原入口管道軸測(cè)圖

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

采用CAESAR II軟件計(jì)算分析灰水循環(huán)泵管口受力結(jié)果見(jiàn)表1所示。灰水循環(huán)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(xiàn)場(chǎng)施工困難，無(wú)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(huán)泵管口受力遠(yuǎn)超允許值的原因：普通離心泵的進(jìn)出口管道的管徑一般比泵進(jìn)出口直徑大1～2級(jí)，泵口受力允許值為API 610標(biāo)準(zhǔn)的兩倍。該泵進(jìn)口管道的管徑比泵進(jìn)口直徑大3級(jí)，出口大4級(jí)，而泵口受力允許值仍按照API 610標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度高，剛度大。

因此在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，經(jīng)與工藝、機(jī)泵、材料專業(yè)以及制造廠溝通協(xié)調(diào)，將管道設(shè)計(jì)壓力、管道材料、泵口受力允許值進(jìn)行調(diào)整，并采用CAESAR II計(jì)算分析，優(yōu)化管道應(yīng)力模型及支吊架位置和型式。

2.2.2 方案二及應(yīng)力分析

經(jīng)工藝專業(yè)核算，灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道直徑不能縮小，但是出口設(shè)計(jì)壓力由10.00MPa調(diào)整為9.5MPa；機(jī)泵專業(yè)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(biāo)準(zhǔn)的兩倍提高為三倍)；材料專業(yè)將管道材料由TP 304L修改為T(mén)P 316。經(jīng)分析計(jì)算優(yōu)化后的灰水循環(huán)泵管口受力結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 灰水循環(huán)泵管口受力荷載

經(jīng)應(yīng)力分析優(yōu)化后的管道布置方案，灰水循環(huán)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(yīng)力模型一、二次應(yīng)力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，管道走向滿足工藝要求，現(xiàn)場(chǎng)一次開(kāi)車成功，后期運(yùn)行平穩(wěn)。優(yōu)化后管道上的限位支架現(xiàn)場(chǎng)便于施工。

3 結(jié)論與建議

高溫高壓灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道的合理布置對(duì)于裝置的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，管道應(yīng)力分析是保證管道安全運(yùn)行的一種重要方法。本文以國(guó)內(nèi)某煤化工項(xiàng)目氣化裝置內(nèi)的灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道布置為例，采用CAESAR II軟件進(jìn)行應(yīng)力分析和配管研究，通過(guò)調(diào)整管道設(shè)計(jì)壓力、管道材料、泵口受力允許值和優(yōu)化管道走向及、合理設(shè)置支吊架型式和位置使之滿足應(yīng)力、工藝及標(biāo)準(zhǔn)要求，得到了較為優(yōu)化的配管設(shè)計(jì)。

由于大口徑的灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管道建設(shè)投資大，建議在設(shè)計(jì)的過(guò)程中綜合考慮，優(yōu)化出最好的方案：

(1)綜合考慮管道材料成本、灰水循環(huán)泵成本、工藝對(duì)于壓力-流量-流速要求，確定管道設(shè)計(jì)壓力、材料、壁厚、管徑，灰水循環(huán)泵進(jìn)出口管徑、泵口受力允許值等參數(shù)；

(2)在此參數(shù)下進(jìn)行應(yīng)力分析，優(yōu)化管道布置，合理設(shè)置支吊架型式和位置，使應(yīng)力模型滿足一、二次應(yīng)力要求，管口受力滿足制造廠或標(biāo)準(zhǔn)要求，管道布置滿足工藝要求。