关于空分设备冷箱内管道设计及应力分析

顾金宝

南京三方化工设备监理有限公司（化学工业设备质量监督检验中心) 江苏南京 210036

进入二十一世纪以来，大型冶金和大型煤化工企业取得飞速发展，单套空分设备在科学技术快速发展影响下不断完善。冷箱内压力管道是空分设备中的重要组成部分，与其他组成部分相比，冷箱内压力管道结构尤其复杂。空分设备为了满足各大型企业发展的实际需求也不断向大型化发展，冷箱内管道直径不断增加。加强空分设备冷箱内管道设计，并对应力进行分析是保证空分设备稳定、安全运行的重要手段。

一、国内空分设备冷箱内管道设计现状

1.规范化设计

冷箱内压力管道设计具有随意性的特点，同统一位置出发到同一终点的过程中会使用多种不同的设计形式和走向，设计方案也千差万别。一套空分设备内压力管道有140根左右，在长期发展过程中，已经形成了一套比较系统和完善的设计规划。在大型空分设备中，空分设备的等级不断提升，各设备在设计设计过程中已处于比较安全的状态。

2.总体布置

随着空分设备的大型化发展，氪氙和氖氦气体提取塔在空分设备中取得广泛应用。空分设备中冷向内管道设计内容比较复杂，主要包括多个容器和多种阀门的合理布置。因此，冷箱内管道设计必须提前完成，对相关容器和阀门进行模拟设计，结合系统的实际要求合理安排容器和阀门位置。另外，设计人员在总体布置的过程中还应该注重管道的受力情况，无论是卧式主冷凝器还是立式主冷凝器的受力状况都会直接影响设计结果。

二、空分设备冷箱内管道设计及应力分析

1.空分设备冷箱内管道设计

（1）材料单元库的建立

三维工厂模型设计系统自带的元件库很难满足冷箱内管道设计的实际需求，设计人员应该在充分了解冷箱内管道的实际状况后，具有针对性地建立不同内容的元件库。元件库中必须同时包括特殊性数据，不仅要对元件进行简单描述、还要明确元件的质量和相关几何参数，为后期二维出图以及调谐材料报表提供数据准备。

（2）管道的三维造型

图1：俯视图

计算机三维设计与二维设计相比具有明显的优势，在实际设计过程中，计算机三维设计以实际比例尺为出发点，建立健全的三维模型。设计人员在确定管道的起点和重点位置后，确定管道的实际特性，明确各管道在管线中的具体位置，三维工厂模型设计系统会自动从管件库中提出相关数据信息，结合数据信息的特点自动生成管道图，设计人员还能随时更改管道图中的信息。管道图确定后，设计人员还能提出各位置的剖面图，下图是中石化空分设备管道俯视图。

（3)碰撞检查

管道三维模型建立成功之后，设计人员还应该对其安全性进行最后一次确认，为空分设备的稳定运行提供安全保障。设计人员可以将管道三维模型与空分设备和冷箱组合成蒸馏塔模型，对该模型进行碰撞实验，三维工厂模型设计系统会自动在屏幕上显示碰撞试验结果，并生成碰撞检查报告，针对检查报告中的内容，设计人员在认真检查后可以结合实际情况对管道三维模型进行修改，进一步提高空分设备的安全水平。

(4)材料报表的生成

管道三维模型建成后，设计人员还应该及时分析管道的柔性状态，三维工厂模型设计系统能够自动从管道元件库中提出数据信息了解元件的基本特征，针对原件的实际特性和管道的立体实际尺寸，自动生成管道材料报表。

2.应力分析

(1）管道柔性计算范围

管道设计温度在40°C左右；柔性计算的公称直径范围与设计温度和管道的实际位置已经确定；管道受室外环境温度影响；管道小支管与大管连接的状态下符合管道柔性计算要求。当管道与一般管道运营情况保持一致。管道与经过柔性处理的管道相比没有变化时不需要做柔性计算。因此，设计人员在应力分析过程中必须明确管道是否需要柔性计算，才能从根本上提高空分设备的运行水平。

（2）管道应力校核

管道的应力校核分为一次应力校核和二次应力校核两种。一次应力校核中如果许用值小于节点应力，表示一次应力校核不通过，相反，当许用值大于或者等于节点应力时，一次应力校核即可以通过。当许用应力超过实际范围后，设计人员应该在内部合理布置支架；为了保障管道自动伸缩正常，设计人员还应该在容器管口等位置设置贴板，使管道和容器在同一时间内同步伸展。二次应力校核时当许用值大于或者等于节点应力时，二力校核即可以通过，当节点应力大于许用值时，一次应力校核通过。二次应力校核过程中改变管道柔性的方法主要有改变关乎到的方向、增加补偿器以及选用弹性支吊架等。

结束语

空分设备冷箱内管道设计从根本上提高了空分设备的稳定性和安全性。设计人员应该针对大型设备的实际状况，结合冷箱内管道分布的实际状况，采取有效措施对冷箱内管道进行优化处理，为提高空分设备的运行水平提供技术保障。

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