空分冷箱内管道设计的要点

黄 超(开封空分集团 设计研究院有限公司，河南 开封 475000)

空分冷箱内管道设计的要点

黄 超
(开封空分集团 设计研究院有限公司，河南 开封 475000)

空分冷箱内设备管道在低温下工作，管道的合理设计对装置的安全运行至关重要。通过对管道设计应注意的几个重点，进行分析和制定方法，目的是保证装置的安全可靠。

空分冷箱；管道设计；分析

1 概 述

空分冷箱内设备及管道在低温下工作，很多因素都有可能造成管道或设备损坏。一旦泄漏，轻则冷箱结霜，造成冷量损失，整体装置能耗升高；重则低温液体泄漏遇热会急剧膨胀，产生砂爆等事故，会给业主带来极大的损失。因此在设计中，充分认识到管道设计的重要性，避免危险因素的产生，确保冷箱装置安全、可靠、经济的运行。

2 管道设计的注意事项

2.1 管道布置

管道强度破坏主要有由一次应力引起的断裂破坏和二次应力引起的疲劳断裂破坏。一次应力是由于压力、重力和其他外力载荷的作用所产生的应力，本身应与外力相平衡，一次应力没有自限性，随所加载荷的增加而增加，超过材料的屈服极限或持久强度时，将使管道发生塑性破坏或总体变形。管道布置首先应考虑一次应力满足材料许用应力要求，保证管道的安全。对一次应力的评定应采用弹性理论进行，即一次应力不超过材料的屈服极限，引入安全系数，工程上一般限定管道的一次应力不得超过设计温度下管道材料的许用应力。

二次应力是由于变形受到约束所产生的应力，本身不直接与外力相平衡，二次应力引起的主要是疲劳破坏，只要位移载荷及变形不大，不反复加载，不会导致管道的破坏。众所周知，低温管道在运行时有一定的收缩，如果不能保证管道具有良好的柔性，变形受到限制，管道两端就会产生很大的应力，很容易就会破坏焊缝及设备管嘴，造成事故的发生。因此在管道布置上要保证管道具有良好的柔性，在冷箱内一般通过增加弯头，改变管道走向，尽量设计为空间管系，这是因为空间管系的单元变形自由度较大，在相同载荷的作用下，其变形更容易。在安装时要严格按照图纸施工，避免不必要问题的发生。对二次应力的评定应采用弹塑性理论进行，可参照GB 50316或ASME B31.3相关校核条件，使得材料在二次应力的情况下处于安定状态。

2.2 振动

空分冷箱的管道振动工况有很多种，如低温离心泵，透平膨胀机，节流产生两相流都会引起管道的振动。低温离心泵一般带有金属软管，透平膨胀机一般带有波纹膨胀节，将转动设备与相关管道及设备隔开，能有效降低管系振动且保证管道的力不会作用到动设备，从而有效保护设备和管系的安全稳定。除此之外，冷箱内比较典型的振动就是由节流引起的振动。两相流是指管内的流体既有气相又有液相。由于气相和液相的密度相差很大且流速不同，因此管内流体对管道的作用力也不相同，作用力的不断变化导致管道的振动。

例如：在空分内压缩流程中往往会设置高压液空节流阀，由于此阀前后压差较大，阀后有一定的气化率，会出现两相流，管道运行中振动较大。如果管道设计不合理或阀架设计安装不牢靠，很容易引起疲劳破坏，然后对装置安全就会有很大的威胁。为了减小振动，首先布置管道时，在满足柔性的前提下，应尽量减少弯头的个数，阀后保证一定长度的直管段；其次管道支架应尽量采用支架，在适当位置设置导向架和限位架，要保证阀架设计具有足够的刚度，必要时增加阀箱，方便检修。安装上要保证阀架按图施工，焊接牢靠。

ASME B31.3明确要求，管道设计时要消除振动引起的过度和有害的影响，这个要求是通过在系统设计时在结构设计注意消除振动，而不是进行详细的振动分析。由于振动机理的复杂性，无法准确模拟实际条件，管道设计者在设计时在保证管道柔性的情况下，应注重管系的刚度，必要时增加支架，尽量消除振动影响。

2.3 设备接管

对于静设备，当管道对其作用力过大时，可能造成设备变形和局部应力过大，甚至会导致焊缝开裂，引起泄漏事故，其中受力状况涉及到有一次应力，二次应力和峰值应力；一次应力是受载荷控制的应力，必须满足外力、内力和力矩平衡的定律，其上限应不超过材料基本许用应力；二次应力受变形控制，一般为计算所得的器壁中壁厚方向的弯曲应力；在低于蠕变范围的温度时，一次应力加二次应力的组合应力基本限制在2倍屈服应力或安定极限。峰值应力是高度集中的应力，在做疲劳分析时考虑这一应力，空分冷箱内配管时一般不考虑峰值应力。静设备(如塔器)受外载荷作用一般可采用WRC107或WRC297公报进行校核，因这两个公报有使用条件的限制，必要时可采用有限元方法分析。

对于动设备，管嘴受力会影响设备的安全运行，受力要求非常严格，因此在设计时应对管口受力进行校核，尽量减小管口受力。动设备例如离心泵管口受力可采用API610标准进行校核，标准中已给定有允许管口载荷，管道布置必须使进出口管道具有足够的柔性，以减小管道作用于泵管口处的力和力矩，且应保证泵壳体的任何变形将处于卖方设计准则，并保证泵轴位移在规定之内。膨胀机可采用美国石油协会标准API 617的校核准则对安装工况和运行工况下的管道外加荷载进行校核。依据API 617 描述，膨胀机允许荷载校核共分3部分：(1)膨胀机增压端、膨胀端单个进、出口荷载合成后单独校核。(2)膨胀机进、出口荷载依据一定的参考位置组合后整体校核。(3)膨胀机进、出口荷载组合后各向分量单独校核。膨胀机各管口出受力的整体综合校核往往最难通过，因此计算时应综合考虑各管口的受力，使不同管口处的作用力相互抵消；对膨胀机管道进行柔性分析时，不仅要使操作状态下机器管口受力满足API 617校核准则的要求，而且应使安装状态下管道对机器口的作用力尽量接近于零。

2.4 管架

管架作为管道设计重要的组成部分，其设置一直是管道设计人员的关注的重点，其中管架类型的正确选用及安装位置至关重要。沿塔器布置的管道，其管道支架应安装于塔器上，保证管道与设备的同步收缩；在保证管道前后满足柔性要求的前提下，管道可固定于冷箱骨架上；长直管不可在没有设置柔性弯的情况下两端加固定架，其间为了满足一次应力(主要为重力)的要求，可用托架或导向架，但要考虑管道的托空；

在进行管道应力分析时，由于软件的局限性，不会对管道支架节点处支架受力进行校核，有时虽然管道柔性符合应力要求，但支架节点处受力较大，且支架选用较小或焊接不牢靠，位置不正确，导致在实际运行时，支架变形或破坏，管道受力条件变化，很有可能引起管道的失效，造成安全事故或经济损失。因此设计人员在设计时应注意支架节点处受力大小，对支架进行校核，选用满足要求的支架型材；施工时保证支架焊接牢靠，位置正确，紧固件连接牢固。

2.5 管道多工况条件

空分装置在开车时程序的要求如氩系统投入一般较晚，此时粗氩塔、精氩塔及管道处于较高温度状态，与之联系的主塔处于低温状态，其间相连的管道由于两端处于不同温度范围变形较大，如果设计不合理，必然在管道上或设备管口处产生较大的二次应力，威胁管道的安全运行。用户要求延迟或暂停投运氩系统都会出现类似情况，因此此系统管道设计时应对不同操作工况进行分析，进行设备和管道布置，在满足管道一次应力在合理范围情况下，使管道在不同工况下都具有足够的柔性，保证系统的安全运行。

2.6 其他方面

其他因素诸如开孔补强不合格，会使三通处承受内压能力不足，造成变形破坏；不必要的气封、液封，使得流体介质堵塞，工艺流程无法实现；管材或壁厚错用，会使得管道诸如耐腐蚀能力、耐低温能力、承压能力不满足介质要求及应力水平过高，引起管道的失效等。面对这些问题需要设计及施工认真对待，认真核算相关内容，严格按图施工，避免因疏忽大意造成的影响。

3 总 结

综上所述，影响管道安全运行的因素有很多，有些问题一不小心就会忽略，因此要求在管道设计对对这些因素要有足够的认识。设计人员要具有良好的技术素养，熟悉管道的工况，熟知标准规范，有分析的手段，才能确保低温管道安全可靠地运行。

[1] 唐永进. 压力管道应力分析[M]. 2版.北京：中国石化出版社，2009.

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[3] 李化治. 制氧技术[M]. 2版. 北京：冶金工业出版社，2009.

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Main Points of Piping Design in Air Separation Cold Box

HUANG Chao

(Design & Research Institute Co., Ltd. of Kaifeng Air Separation Group, Kaifeng 475000, China)

The reasonable design of the pipeline is very important for the safe operation of the equipments in the air separation cold box. This paper develops methods of piping design by the analysis, All is to ensure equipments safety.

air separation cold box; piping design; analysis

2016-11-18

TB65

A

1007-7804(2016)06-0027-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.06.008

黄 超(1988)，男，籍贯河南，大学本科，过程装备与控制工程专业，现就职于开封空分集团设计研究院有限公司从事管道设计和应力分析工作，助理工程师职称。