管道应力分析——氨合成塔出口管线设计

张忠杰，王先年，康林勇

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

在化工装置管道布置中，对管道系统进行柔性分析和应力分析是不可缺少的环节。管道应力分析可验证管道布置的安全性。随着计算机应用的深入，我们可以通过计算软件准确的、迅速的进行管道应力分析，并使对复杂的管道系统进行应力分析得以实现。目前，国内外大部分工程公司、设计单位均采用CAESARⅡ应力分析软件进行管道应力分析。

与合成塔出口相连的管道，由于其操作温度远远高于安装温度，在操作时因热胀而产生的热应力必然作用到两端的设备上，当这些荷载过大或不平衡时，对设备产生的推力将增大，影响设备的正常安全运行。为此，必须限制作用在合成塔及另一端废热锅炉设备上的力和力矩使其不超过设备设计允许的范围。合理的管道设计是达到此目的的重要手段，管道设计合理与否可以通过对管道系统的热应力分析计算结果的来判断。

本文以某项目氨合成装置中的合成塔出口管线为例，进行应力计算分析。此管线温度、压力高，介质对材质要求苛刻，导致此管线价格昂贵，在合成氨领域素有“天价管”之称，因此需要做好应力分析，使管线设计做到既安全又经济。

1 研究基础

研究的基础数据为：环境温度21℃，设计温度(T1)440℃，操作温度(T2)410℃，极端温度(T3)10℃，设计压力(P)16500kPa，直径/壁厚 Φ508×50 mm，管道材料 A312 TP321H，保温厚度 120mm，基本风速(WIN)30m/s，地震加速度(U)0.1g。

根据合成塔、蒸汽过热器、废热锅炉、管道数据等，利用CAESAR II所建模型见图1，合成塔出口管线ISO图见图2。

图1 出口管线模型图

图2 出口管线ISO图

2 分析计算

本研究考虑设计温度、操作温度、设计压力、风载荷、地震载荷，同时考虑布尔登效应（Translation & Rotation），利用CAESARII进行的工况组合见表1。

表1 计算工况组合表

2.1 工况组合研究

研究工况中T1为设计温度，T2为操作温度，T3为极端环境温度，WIN1/WIN2为风载荷，U1/U2为地震载荷，将不同的温度、位移进行组合研究，分别研究了水压试验工况、安装工况、偶然工况下的应力、荷载、热位移等因素。

2.2 管道应力研究

利用CAESAR II软件，对设计的管道分别进行了一次应力、二次应力研究，管道最大应力点见表2。由表2可以看出，所设计的管道的一次、二次应力均满足规范要求。

2.3 管口许用荷载研究

由于出口管线温度较高，热位移较大，本研究设置了弹簧支架，经过加载弹簧支架的管口荷载计算结果见表3。

由表3可以看出，node6420点（废热锅炉）入口，能够满足管口许用荷载要求，蒸汽过热器出口荷载交由设备厂商校核，经过校核也能满足设备设计要求。

2.4 法兰泄露分析

由于本研究的管线DN500，2500LB，已经超出了ASME相关标准法兰规格，因此，软件自带的等效压力法和最大屈服强度法均不适用，本研究依据ASME VIII附录二的计算方法，进行法兰泄露分析。将法兰处的轴向力及弯矩带入计算，结果见表4。

由表4可以看出，管口法兰泄露分析通过，本研究还分析了增加弹簧支架后，整个管系的挠度，均小于10mm，满足设计要求。

3 研究结论

通过CAESARⅡ应力分析软件的计算，使合成塔的出口管线满足了冷热态许用应力的要求，管口许用荷载、法兰泄露分析的要求，同时也为弹簧支架的选取、土建条件的提出，提供了依据；使此管线的设计做到了安全、经济、合理。

表2 管道应力极值表

表3 管口许用荷载校核表

表4 法兰泄露/应力计算表