空冷器入口管线的应力分析

陆 阳

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266061)

空冷器是石油化工行业一种常用的冷换设备，其设备布置和管道布置除了应满足冷换设备的一般规定外，有其自身的特点和要求。空冷器是以空气作为冷却介质，强迫空气通过传热管外面的翅片以冷却管内介质的间壁式换热器，可用作冷却器和冷凝器。

空冷器的应用范围有塔顶油气冷凝，汽油、柴油冷却等多种工况[1]。对于某些装置，空冷器的管线管径较大，为提高空冷器管线的安全性，常对其进行应力分析，以便进行合理的管线布置。CAESAR Ⅱ广泛应用于石油、化工、冶金等行业[2]。本文利用CAESAR Ⅱ对某石化公司C7+分离装置两种不同入口口径的空冷器管线进行应力分析，找出使管线、设备管嘴受力均满足安全要求的管线安装方式。

1 管线设计基本条件

图1 A701空冷器空冷器流程简图

图2 A702空冷器空冷器流程简图

空冷器位号A701A702最高操作温度/℃165212最高操作压力/MPa0.480.53空冷器入口管嘴公称直径DN200DN300管道材质20#碳钢20#碳钢介质密度/(kg/m3)5.2410.72

本文对两种不同管口直径的空冷器入口管线进行应力分析。A701空冷器的入口管嘴直径为DN200，A702的入口管嘴直径为DN300，流程简图见图1与图2。空冷器入口管线参数见表1。

表2 接管允许承受的弯矩和力

图3 表2中力和力矩坐标系

空冷器管嘴受力不应超过制造厂提供的允许值。图3为空气器管嘴力和力矩坐标系，表2为空冷器接管允许承受的弯矩和力。本项目与空冷器厂家签订技术协议时，要求空冷器入口管嘴受力按照NB/T 47007-2010(中国人民共和国行业标准)中对表2中数值的2倍进行设计(见表2与图3[3])。

2 管线应力分析

2.1 A701空冷器

2.1.1 管系模型

对A701流程图中的管道进行应力分析，初始配管模型如图4所示。

图4 空冷器入口应力模型

2.1.2 模型应力分析

运行模型，生成Caesar II应力计算报告。主要分析结果如下：

①一次应力比率为16.1%，二次应力比率为38%，说明管系的柔性足够。

②表3为A701空冷器入口热态受力情况。可以看出，A701空冷器B、C、D的入口热态受力情况不能满足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求，扭矩MZ偏大，偏大的原因主要是由于热涨导致管系位移相互作用的结果。

因此该管系需要寻求更合理的布管方式与支架设置方式。

表3 A701空冷器入口热态受力情况

2.1.3 优化后的管系模型

经过对受力的分析，本文对该管系进行了优化，主要为调整了支架的位置，缩短了入口管线的直管段长度。优化后的应力模型如图5所示。

图5 优化后A701空冷器入口应力模型

运行该应力模型，得到优化后模型的应力报告。主要分析结果如下：

①一次应力比率为10.7%，二次应力比率为21.7%。说明优化后的模型同样满足管道柔性的要求，并且比初始模型的柔性更好。

②表4为优化后A701空冷器入口热态受力情况。由表中可以看出优化后的空冷器入口管嘴受力可以满足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求。从未优化前管嘴受力表3中可以看出，超出2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的部分是-Z方向上的扭矩，因此缩短入口前Y方向上直管段的距离与调整支架的位置，可以有效减小-Z方向上的扭矩，但是不可太短，要预留足够的人行通道空间。

表4 优化后A701空冷器入口热态受力情况

2.2 A702空冷器

2.2.1 初始管系模型

空冷器入口尽量采用平均分配的进料方式，但是由于A702空冷器入口管嘴的管径为DN300，管线较粗，因此不能用与A701空冷器相同的配管方式，A702空冷器入口配管初始模型如图6所示。

图6 A702空冷器入口应力模型

2.2.2 模型应力分析

①一次应力比率为11.2%，二次应力比率为13%。说明管系的柔性足够。

②表5为A702空冷器入口热态受力情况。可以看出，A702空冷器B入口热态受力情况不能满足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求，-Z方向扭矩MZ偏大。因此该管系需要寻求更合理的布管方式与支架设置方式。

表5 A702空冷器入口热态受力

2.2.3 优化后的管系模型

经过对受力的分析，本文对该管系进行了优化。优化后的应力模型如图7所示。

图7 A702优化后的应力模型

2.2.4 优化后模型的应力分析

运行该应力模型，得到优化后模型的应力报告。主要分析结果如下：

①一次应力比率为19.5%，二次应力比率为13.3%。

②该空冷器入口管线管径较大，受管径与标高的限制，可调整幅度较小。因此考虑与原设计方案相反方向接入管嘴。表6为优化后A702空冷器入口热态受力情况。由表中可以看出优化后的空冷器入口管嘴受力可以满足2倍NB/T 47007-2010管嘴受力的要求。

表6 优化后A702空冷器入口热态受力

3 空冷器管线支架

两种不同管线布置的空冷器并排布置，需要设计合适的空冷器管线支架进行支撑，通过对比应力分析结果与配管模型，空冷器管线支架模型如图8所示。

图8 空冷器管线支架模型

4 结论

(1)不同入口管径的空冷器管线需要考虑不同的配管方案与应力分析方案。

(2)缩短特定位置的直管段长度、调整支架的位置与改变管线走向，都能有效的降低空冷器管嘴的扭矩。

(3)空冷器入口管线需要根据配管模型与应力分析结果设计专门的空冷器管线支架进行支撑。

[1] 李 诚.浅谈空气冷却器在化工领域中的应用[J].化工设备与管道,2002(5):22-23．

[2]唐永进压力管道应力分析[M].2版.北京:中国石化出版社,2003．

[3]国家能源局. NBT 47007-2010 空冷式热交换器[S].北京:新华出版社,2010:19-20.