高温泵的配管及应力计算

刘 宗 旭

（中国石油工程建设公司 大连设计分公司，辽宁 大连 116085）



高温泵的配管及应力计算

刘 宗 旭

（中国石油工程建设公司 大连设计分公司，辽宁 大连 116085）

在管道设计中我们还经常遇到高温、高压机泵的管道布置，较高的温度使管道产生了较大的二次应力，同时对设备管嘴也产生了较大的力和力矩，在管道布置时要着重考虑管道及管嘴的应力计算。而针对多种工况下运行的多台机泵组又要分别进行应力计算，再统一考虑管系的补偿及支撑。

高温管道； 应力计算； 管嘴约束力； 弹簧支吊架

泵是石油化工装置中最重要也是最常用到工艺设备，泵的管道布置也是设计者再熟悉不过的内容了。在管道设计中我们还经常遇到高温、高压机泵的管道布置，较高的温度使管道产生了较大的二次应力，同时对设备管嘴也产生了较大的力和力矩，在管道布置时要着重考虑管道及管嘴的应力计算。而针对多种工况下运行的多台机泵组又要分别进行应力计算，再统一考虑管系的补偿及支撑。

本文结合秦皇岛中石油燃料沥青有限公司油浆综合利用工业化试验项目（以下简称秦皇岛项目）中，对一组两开一备共三台机泵的管道布置和应力计算，进行研究和分析［1，2］。

1　项目概况

本次秦皇岛沥青公司属于试验性扩能改造项目。其沥青装置原有的一组减压塔塔底泵（P-110A/B），一开一备共两台机泵，现需增加一台减底泵（P-110C）与原有两台泵组成两开一备的工况（其中新增的P-110C常开）。原有泵管道拆除与新增泵统一规划，并全部重新配管。

由于操作介质为减压塔塔底渣油，设计温度300 ℃以上，为了保证管道和泵设备的安全运行，需采用CASEAR II软件对这条管系进行应力计算。

三台泵出、入口管道操作条件如表1所示。

表1　管道应力分析条件一览表Table 1 List of pipe stress analysis conditions

2　泵管道布置及应力计算

由于泵布置于原沥青装置泵房内，管道布置受制于泵房内空间限制，又因为是改造项目，新增管道涉及与管架原有管道衔接等问题，再综合考虑操作、检维修等因素，首先采取了如图1中的三种常规的管道布置方案，即将三台泵入口先汇成一支主线后与原主线连接。

图1　方案1～3管道布置示意图（图中从左至右依次为泵P-110C、P-110B、P-110A）Fig.1 Plan1～3 piping general arrangement diagram（From left to right in the order is pump P-110C、P-110B、P-110A）

通过CASEAR II软件对以上管系进行应力计算，一次应力（重力及其他外部持续荷载）小于管材需用应力值，核算通过。但二次应力（热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载）超过了管材许用应力，二次应力计算结果如表2所示。

表2　方案1～3管道二次应力计算结果Table 2 Plan1～3 The secondary stress calculation results

图2　方案4管道布置示意图Fig.2 Plan 4 piping general arrangement diagram

由此可见，三台泵入口汇成一支主线导致管系中最右侧弯头处二次应力过大，需调整配管方式，将P-110A/B两台泵出口汇成一支线，再与P-110C出口汇成一支主线，并在关键节点处设置支吊架进行约束，如图2所示。

再次进行计算可得，管道一次应力、二次应力都小于该设计温度下的许用应力值，说明管道变形是可逆的，不会发生塑性变形，因此满足应力要求（表3）。

表3　方案4管道应力计算结果Table 3 Plan 4 Pipe stress calculation results

3　泵管嘴约束力分析

由于泵厂家对泵管嘴所受力和力矩有严格的要求，在充分考虑管道柔性，满足其一次应力、二次应力的情况下，还应保证设备管嘴的力和力矩在要求范围内［1］，因此需对以上管道布置方案中P-110C的管嘴进行约束力计算分析（表4-5）。

表4　厂家提供的泵管嘴负荷［2］Table 4 Manufacturers provide pump mouth Allowable load

表5　方案4中P-110C泵管嘴受力结果Table 5 Plan4 P-110C pump mouth stress calculation results

由于泵管嘴负荷值较苛刻，所以通常采用厂家所提供管嘴负荷的2倍值来校核泵管嘴负荷。由计算结果可知方案四中管道对泵嘴的力矩超出了设备厂家要求的2倍，会导致机泵不能安全运行。其主要原因是我们增设的支吊架对管道的热涨进行了约束，满足了整个管系的一次、二次应力要求，却把大部分推力和力矩传到了泵管嘴上，导致管嘴受力超标。

由于以上计算考虑三台泵同时运行时的最苛刻工况，而实际操作中P-110A/B多数情况下为一开一备，因此在无法取消管系关键部位支吊架却要设法降低泵管嘴处受力的情况下，就要按照正常工况运行时考虑并模拟计算。于是将P-110A管道温度改为100 ℃，并重新对泵嘴受力进行核算，结果如（表6）。

表6　方案4中P-110C泵管嘴受力结果Table 6 Plan4 P-110C pump mouth stress calculation results

通过计算，在多数正常工况下，泵嘴受力满足要求。即使出现极端工况，短时间也不会对机泵造成太大影响。

以上是对三台泵入口管线应力计算及管嘴受力计算及分析过程，泵出口管线计算方法同理。

4　弹簧支吊架选型

管系的一次应力、二次应力及管嘴的受力满足要求后，需要通过位移分析来核算管道是否会对其吊架产生较大的偏转角，或使某些承重支架脱空，并最终通过载荷及位移量确定弹簧支吊架的具体型号。通过位移计算得到的结果如表7所示。

表7　弹簧支吊架规格表Table 7　Spring Support Take-off

续表

5　结 论

（1）在温度较高的管系中，管道要考虑足够的柔性，通过自然补偿吸收热膨胀力，以此降低二次应力值；

（2）泵管道的应力计算要充分了解工艺流程，掌握可能存在的各种工况，灵活把握并选择最合理的计算方式；

（3）弹簧支吊架不能单一根据软件计算结果而定，应参考计算出的载荷及位移，并根据现场实际情况选取。

［1］ 张德姜，王怀义，刘绍叶. 石油化工装置工艺管道安装设计手册第一篇设计与计算［M］. 第三版.中国石化出版社，2007-01.

［2］ API 610 Centrifugal Pumps for Petroleum， Heavy Duty Chemical and Gas Industry Services［R］.

Piping Arrangement and Stress Calculation of High-temperature Pump

LIU Zong-xu
（China Petroleum Engineering Construction Company Dalian Design Branch，Liaoning Dalian 116085）

We often meet piping arrangement of high-temperature and high-pressure pump in pipe design. Higher temperature can make the pipe engender larger secondary stress. At the same time, equipment nozzle also has larger stress and moment of force. So we should think about the stress calculation of pipe and nozzle in the piping arrangement. We should also calculate the stress respectively for multiple conditions of many sets of machine pumps. And then the compensation and support of piping system should be considered.

high temperature pipe; stress calculation; nozzle constraint stress; spring hanger

E-mail：liuzongxu-dl@cpecc.com.cn。

TQ 051

A

1671-0460（2016）05-1020-03

2016-04-05

刘宗旭（1984-），男，辽宁省大连市人，工程师，2007年毕业于大连理工大学化学工程与工艺专业，研究方向：石油化工管道设计。