石油加氢装置放空管道的动态分析

申登峦 魏安安 王 瑶

(常州大学机械工程学院，江苏 常州 213016)

石油加氢装置放空管道的动态分析

申登峦 魏安安 王 瑶

(常州大学机械工程学院，江苏 常州 213016)

化工装置在突然放空时，放空气体会对管道产生很大的推力，从而危及管道安全。结合某工程实例，采用CAESARII软件对放空管道进行动态分析，应用模态分析计算出了管道系统的固有频率，应用力响应频谱法分析了管道的安全阀载荷和气锤载荷对管道系统的影响，找到了受气锤载荷和安全阀载荷冲击影响最大、振动最剧烈的位置，并对此位置进行改进。据改进后的方案重新建模并分析，管道振动情况明显减缓并安全地通过了模拟工况下的放空试验。

放空管道 动态分析 力响应频谱法 CAESARII软件

放空管道用于石化装置在突然停电、超压及出现故障等意外情况时，通过安全阀的开启，释放系统中的介质并降压，以保护装置的安全，这也是保护装置安全的最后一道屏障。

管道应力分析软件CAESARII可以进行管道的静力和动力分析，功能齐全，因而在全世界范围内被广泛应用[1,2]。

某石化厂为了节省占地，在技术改造中将现有的两个石油加氢装置的放空管道合并到一条原有放空管道中。笔者采用软件CAESARII对管道进行静动态分析，以校核此管线的安全性。

石油加氢装置在安全阀开启时会产生巨大的气体排放反力，使得管道安全存在很大隐患。放空管内介质和安全阀的基本参数如下：

容器内介质 饱和蒸汽

容器内最高工作温度 250℃

安全阀型号 HF-CA48Y-100C

安全阀起跳压力 4 170kPa

安全阀喉部直径 80mm

安全阀公称直径 100mm

泄放量 8.26kg/s

放空管直径 200mm

放空管出口处的压强 497kPa

安全阀出口管的直径 150mm

现用两种方法计算气体排放反力。

API-520中计算排气反力的公式[1]为：

(1)

式中A——泄放出口面积，mm2；

F——泄放反力，N；

p——泄放管出口静压，kPa；

T——出口温度，K；

w——气体流量，kg/s。

将放空管道各项数据代入式(1)可得F=46033.19N。

另外，采用CAESARII软件计算排气反力。将管道内介质和安全阀的参数导入CASEARII中的Relief Load Synthesis模块计算所得安全阀放空时的气体排放反力F=36108.57N。

两种方法的计算结果有一定差异，用API-520中的方法计算的结果较大。为保守起见，笔者取较大的数值应用于管道的动态分析，在进行管道系统的动态分析之前，必须先进行静态分析。

2 管道动态分析

在项目完成初期，该厂做过一次小型放空试验，发现第五个弯头(即节点249)处振动剧烈(振幅近200mm)，严重超过了国家标准。现着重介绍此管道系统的动态分析，在进行管道系统的动态分析前，必须先进行静态分析。

2.1静态分析

建立管道系统的模型，管道模型与节点分布如图1所示。经分析管道的一次应力、二次应力和管道热应力均未超出应力许用值。

图1 管道模型与节点分布

2.2动态分析

影响放空管道振动的主要因素是气锤载荷和安全阀载荷，二者特性曲线的特点都是载荷值从零突然跃升到某一定值，然后保持一定时间后再突然降到零[3]。求解这种具有脉冲力/时间特性曲线的最常用方法是时程法和力频谱法。时程分析采用数值积分方法模拟载荷的作用，这种方法需要迭代，人工计算部分较为繁琐，因此工程上常用力响应频谱法计算气锤对管道的影响[4]。

2.2.1模态分析

模态解仅进行本征解计算，在频谱分析前也需要进行本征解的计算。模态分析只是为了求解管道系统的固有频率和振型，因此不需要定义载荷，只需将法兰刚度输入即可运算[5,6]。经计算，此管线前五阶的固有频率为1.073、1.680、2.254、2.550、3.112Hz。此排放管系的一阶固有频率小于DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术》中规定的一阶固有频率的最小值3.500Hz，极易受外界干扰发生强烈振动。

2.2.2安全阀排放反力分析

将上述求得的安全阀排放反力依次施加到管道弯头处，并在每个弯头处采用CAESARII软件建立安全阀放空时气体排放反力的响应频谱，找到安全阀排放反力对管道影响最强的力，并用此力校核管道和支架应力[7]。以节点249为例生成的频谱曲线如图2所示。可以看出，频率为0.586Hz时动态载荷系数最大(1.997)，即此时安全阀排放的气体反力对管道的影响最大。

图2 节点249处排放反力与时间响应频谱

计算安全阀排气工况下固定支架上的受力，结果见表1。

表1 力作用在节点249处固定支架的受力

由以上的力，校核管道在安全阀排放工况下固定支架上的应力。

从CAESARII软件的输出文件中分别读取排放反力施加到每个弯头上时，各支架上受到的动态推力载荷，并进行管道与支架的应力校核。经校核，管道和支架的应力均未超过许用值。

2.2.3气锤力分析

用文献[7]中的公式计算得到这条放空管线的气锤力的大小、方向和作用位置见表2。

表2 气锤力大小、方向与作用位置

从厂家提供的气锤脉动时间历程波形图(图3)中，读出压力波从零到达极值的时间为0.09s。载荷的持续时间计算式为：

t=L/c

(2)

式中c——压力波传播速度；

L——相邻弯头-弯头对之间的距离。

图3 气锤脉动波形

以节点249处的弯头为例，在节点249处产生最大的变形弯头-弯头对是249和429。对于249弯头-弯头对在6 000mm单元管长计算的最大截止频率：

fcutoff=SQRT(305E/ρ)/L=136.9Hz

(3)

式中E——管材的弹性模量；

ρ——管材的密度。

取最大频率150Hz，用CAESARII软件生成的频谱分析如图4所示，频谱数据见表3。

图4 节点处气锤力与时间响应频谱

阶次频率/Hz动载荷系数80．75851．371091．21501．8242101．85191．9549112．71131．9049123．84001．8148

由图4和表3可以看出，在此管系中管道频率为1.851 9～2.711 3Hz时气锤力有明显加强，气锤力对管道的影响最为明显。

对每个弯头对进行上述分析，并输出各弯头的位移量，将每个弯头的最大位移量列于表4，放空过程中管道波动形态如图5所示。可以看出，在气锤力的作用下节点249处的弯头位移量最大(340.33mm)，这与先前的放空试验结果吻合。

表4 各弯头的最大位移量

图5 管道波动形态

3 管道系统的优化

分析管系受气锤载荷的影响，发现在节点249处的弯头振动最为剧烈，同时发现整个管系的固有频率较低，为此在节点250处增加一个固定约束，并在管道与支座间增加一个大于5mm的橡胶垫片。在节点619处(即图1中的三通处)增加一个支撑约束。

按照修改后的方案，应用CASEARII软件重新建模，并对管道进行静态和动态分析，结果表明管道与各支架应力符合国家标准，各弯头偏移量均在允许范围内，弯头的最大偏移量缩小到50mm。最后对该放空管道进行模拟真实工况的泄放试验，结果表明管道与支架系统均稳定安全，管道振动幅度明显减小，未见明显的屈服、偏移和变形。目前该放空管道已经投入使用，未发生异常现象。

4 结束语

结合某石化厂装置放空管道的具体实例，介绍了在装置放空时气体对管道冲击力的计算方法，以及采用CAESARII软件对放空管道的动态模拟过程，找出了管道振动剧烈的原因，并提出了改进方案。为优化管道设计与布置，以及优化运行方式提供了依据。

[1] 赵晋云,周兴涛,刘冰,等.国内外输气管道放空系统设计标准分析[J].油气储运,2013,32(3):274～278.

[2] 叶源,吴勇.聚乙烯装置工业高压管线设计及应力分析[J].石油化工技术与经济,2012,28(5):31～33.

[3] 吴晓南,卢泓方,黄坤,等.基于频谱分析的地震带输气管道应力分析方法[J].天然气工业,2014,34(5):152～157.

[4] 张乐川,胡训栋,李琳.火力发电厂主要管道精确动态分析方法及应用[J].发电设备,2011,25(6):402～407.

[5] 喻斌,张世彬,左勇,等.CAESAR II用于输气管道法兰泄漏的治理[J].油气田地面工程,2013,32(3):32～33.

[6] 李方圆,江涛,李玉星,等.川气东送管道放空参数的计算[J].油气储运,2010,29(6):427～429.

[7] 吴晓南,鲜燕,黄坤,等.运行工况下隧道内输气管道的应力分析[J].油气储运,2012,31(12):927～930.

DynamicAnalysisofVentPipesinOilHydrogenationUnit

SHEN Deng-luan, WEI An-an, WANG Yao

(SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213016,China)

Sudden venting operation can incur great thrust on the pipelines and endanger their security. Taking a project as an example, dynamically analyzing the vent pipe was performed with CAESARII software, including having their natural frequency calculated through modal analysis method and the influence of pipeline relief valve’s load and the steam hammer’s load on the pipeline system analyzed by employing a force response spectrum method so as to determine the location where the largest thrust from both hammer’s load and relieve valve’s load and the most violent vibration exist and can be improved. Having improved scheme based to model and analyze the vibration of pipelines shows that pipeline vibration becomes decreased and the vent pipeline system safely passed the vent test under the simulated conditions.

vent pipe, dynamic analysis, force response spectrum method, CAESARII software

TQ055.8

A

1000-3932(2016)02-0173-04

2015-11-15(修改稿)