基于CAESAR II 分析漿體泵出口在環境溫度下的管道布置

付新民 ,封志強 ,郝艷霞

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.北京環都環保科技有限公司,北京 100094)

0 前言

選礦廠通常處理的原料、產品為漿體物料,石油及化工行業處理的往往為純流體物料,在配管時考慮的問題往往不同。

石化行業的物料通常是高溫高壓物料,在管線設計的時候需要充分考慮管線的柔性,管道的布置往往需要根據管道柔性做出調整[1]。而漿體物料的管線,需要考慮的往往不是高溫高壓的苛刻工況,而是物料對管線本體的磨損問題,大部分情況下,漿體管線物料的彎頭及三通均需要特殊考慮。例如彎頭采用3D 或者5D 彎頭,三通采用斜三通或者Y 型三通等,以盡量減少物料對管線的磨損,同時減小管線的運行阻力。典型的漿體泵配管如圖1 所示。

基于上述考慮,漿體管線的配管與石化行業配管大相徑庭,同時大型漿體管線由于其配置的特殊性,管道支撐通常不易設置。管道的合理支撐,直接決定了泵管口荷載能否在允許范圍內,這對泵的長周期安全穩定運行至關重要,是需要解決并具有工程實際意義的一類問題。

圖1 典型渣漿泵的配管

泵管口的允許荷載,可以由設備廠家提供。設備廠家未提供時,可以依據API610[2]進行泵管口荷載的校核。本文將以某選礦廠的工程實例為基礎,利用CAESAR II 軟件進行計算,探討漿體泵的管線布置。

1 模型的建立及計算

1.1 工程問題分析

以一臺渣漿泵為例,如圖2 所示,渣漿泵的管口參數如表1 所示,泵的管口允許荷載如表2 所示。

管道材質選擇20#鋼,20#鋼在20～100 ℃下的許用應力為147 MPa,彈性模量為206 GPa。

取管道的安裝溫度為21 ℃。渣漿泵管道通常在常溫下工作,取系統最高工作溫度(最高環境溫度)為60 ℃,渣漿泵出口工作壓力為0.3 MPa。

圖2 渣漿泵尺寸圖

表1 泵管口參數

渣漿泵管口由于自身的熱脹冷縮效應,泵的管口有一定的位移量,經材料線脹量公式計算,泵管口的位移量為:DY=+0.72 mm,DZ=+0.4 mm,管道出口連接設備,設備管口的位移量為:DY=+2.4 mm,DZ=-0.72 mm。

通常情況下,泵入口管道因壓力較低會增加柔性接頭,所以泵入口管道對泵口的反作用力往往很小,可以忽略不計,而在苛刻工況下泵出口管道,因壓力較大,增加柔性接頭可能導致管系風險增大,故本文只研究泵出口管道,泵入口管系對泵管口的荷載本文予以忽略不計。

表2 泵出入口允許荷載

1.2 建立計算模型

根據上述基本參數,建立計算模型,漿體泵通常一用一備,兩泵的連接管線采用Y 型三通,以降低管系的磨損。假設管道支吊點均采用剛性支撐,建立計算模型,如圖3 所示。

2 計算結果及結果分析

2.1 全剛性支撐的結果分析

(1)總體結果分析

全剛性支撐的結果顯示,50 點的熱應力(二次應力)超標,為正常值的137.9%,盡管溫度很低,但熱應力依然很大,主要原因是60 點上下的位移被約束了。這種情況的主要風險點在于50 點為Y 型三通的中心點,此處在泵反復振動以及高應力下,容易疲勞斷裂,所以如果采用全剛性支撐,50 點處的Y型三通,應當予以特殊考慮,或采用加強結構,或改變其他點處的支撐型式。

圖3 全剛性支撐的應力分析模型

(2)泵口受力分析

通過計算,得出10 點和1040 點處的泵管口的受力情況如表3 所示。

對比表2 和表3 可見,全剛性支撐的管系,泵出口的荷載遠遠超出了廠家給定的泵出口允許荷載。這種情況下,簡單地采用全剛性支撐的方式支撐管道,易造成泵管口受力過大,從而造成泵轉動軸不對中、引起機器磨損和振動,影響機器正常運行[3]。

表3 全剛性支撐時泵口受力分析結果

2.2 采用彈簧支撐的方式改善管系柔性

通過上述分析可知,管系全剛性支撐弊端較多,既容易破壞Y 型三通,同時泵管口處的應力較大,影響泵的安全運行,考慮到全剛性支撐的弊端,計劃將60 點處的支撐改為彈簧支撐,通過彈簧的伸長量的調整,增加管系的柔性。更改后的計算模型如圖4所示。

圖4 彈簧支撐計算模型

通過表4 可以看到,與全剛性支撐時的泵口受力相比,節點10 和1040 處的受力情況有較大改善,較為接近表2 列出的泵出口允許荷載,但仍然超過表2 允許值,這種情況,對于普通流體管線,可以通過增加∏型彎的方法[4],改善管道柔性,但礦漿管道在配管時,反而要盡量減少管道彎頭,這與增加∏型彎,改善管道柔性的思路相矛盾[5]。進一步分析結果,發現單獨由熱應力造成的管口荷載很大,具體數值見表5,通過表5 可見,由熱應力造成的管口荷載占到了整個管口荷載的90%以上,此時的操作溫度只有60 ℃,造成該現象的主要原因是短且直的配管方式下,礦漿管道的柔性較弱。

表4 增加彈簧支撐時泵口荷載分析結果

表5 增加彈簧支撐時由熱應力造成的泵口荷載

對于管道走向不能更改且不易設置彈簧支撐的情況,只能在泵出口或者設備管口處增加柔性接頭以改善管系的柔性,柔性接頭的變形量較大,可以完全緩解由于熱應力造成的管口荷載,使泵管口在允許荷載內工作。

3 結論

(1)泵出口處,如果不是與設備管口相連,而是直接進入某敞口設備,同時管線不太長的情況下,管口末端可以設置為滑動支座,使管系及其末端能自由滑動,降低泵出口處的管道應力。但是這樣配置管線的問題在于管系可能會隨著泵的運轉而振動。

(2)如果管系末端與設備管口相連,則管道的柔性會較弱,這時可以在一些關鍵節點改用彈簧支吊架,如果管系的柔性較好,則也可以使泵出口荷載限定在允許范圍內,但如果管系的柔性較弱,則管系對于泵出口的荷載可能依然會超出許用值。

(3)在第(2)條的情況下,管口受力依然超出許用值,說明管道剛性連接不能滿足使用要求,這時應當考慮在泵出口或者設備管口處增加柔性接頭,改善整個管系柔性,柔性接頭示意圖如圖5 所示,如果管道壓力較高,也可以采用大拉桿橡膠柔性接頭,如圖6 所示。

圖5 可曲撓橡膠接頭

圖6 大拉桿橡膠接頭

綜上,漿體泵在配管時雖然沒有石油化工管道危險性大,但把漿體泵管口荷載控制在廠家允許范圍內,有利于漿體泵在運行時更加平穩可靠,減少故障率,保證設備長周期安全運行,在配管時也應當仔細考慮對漿體泵在特定配置下的最優的配管方案。上述結論可用于漿體泵配管時的方案優化,供工程設計人員應用。