蛇形管组管子应力分析及固定方式优化

金 姗,臧平伟

1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室,四川 成都 611731

2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司,四川 自贡 643001

0 引言

某顺酐装置采用正丁烷法制顺酐,其生产工艺流程为：原料混合气在反应器中,经过催化剂的作用生成顺酐。高温酐气先经过气体冷却器降温,再经过冷却形成粗酐液体,最后经过后续精制系统,获得产品精酐。在此项目中,气体冷却器采用两级组合式冷却器,结构上与烟道式余热锅炉类似,冷却器整体为箱型立式一体化换热装置,反应气通道为矩形截面,内部布置两级冷却受热面：一级冷却器、二级冷却器。上述两级冷却器在箱型一体式换热装置内自下而上布置,各级冷却器换热管均为光管式蛇形管组。对于蛇形管的固定支撑方式,有文献设置为管与管之间为固定卡块,支撑板支撑在前后墙上[1],但是该支撑结构易造成运行中受力过载,使过热器变形严重,进而撕裂。本文对蛇形管组的原固定支撑方式进行了改进,针对原固定方式和新型固定支撑方式,用Pipepak软件对不同固定支撑方式下的管道分别进行应力计算,对计算结果进行分析,在项目中选用新型固定支撑方式——吊挂式。该固定方式能够有效减小管道的应力,保证设备和系统安全稳定地运行。

1 蛇形管在冷却器中的运行条件

1.1 运行条件及管道规格

本文以某顺酐装置为依托进行研究,其中气体冷却器采用两级组合式冷却器,440 ℃反应气自组合式冷却器底部进入,依次经过一级和二级冷却器的蛇形管组,初步冷却后的反应气进入到后续冷却工序,锅炉给水通过连接管进入集箱再分配给各蛇形管,与高温反应器进行换热,其中本文计算的二级冷却器蛇形管,循环水受热后变成气水混合物通过上集箱、上升管引至汽包进行气水分离,分离出的水继续参与循环,饱和蒸汽通过蒸汽引出管通往界区。蛇形管的主要技术参数见表1。

表1 蛇形管运行技术参数

连接管中设置有弯头标准件,其尺寸按标准GB/T 12459—2017[2]进行选取。

1.2 蛇形管组的布置

蛇形管组通过上集箱与下集箱连接,由多组蛇形管组组成,2种蛇形管组交替布置,每组蛇形管组由多条水路管道排布组成,单组蛇形管组布置见图1。

图1 蛇形管组布置

2 蛇形管组的2种固定支撑方式

对于此种蛇形管管屏,本文中选用了2种固定支撑方式进行比较,2种固定支撑方式不同,应力计算的边界条件则不相同。同样选取最外侧一个蛇形管为例,进行不同边界条件的选取。

2.1 第1种固定支撑方式

第1种蛇形管屏的固定支撑方式为在相邻管道之间设置固定卡块,在蛇形管的弯管与外壁之间设置支撑装置(A2、A3处),蛇形管组的重量载荷利用2处固定点传递到壳体外壁上,本文称之为“挂壁式”,见图2。

2.2 第2种固定支撑方式

第2种蛇形管屏的固定支撑方式为每个管屏设置2个管夹,管夹整体吊挂在壳体顶部,与壳体外壁不进行接触,称为“吊挂式”,见图3。

图3 “吊挂式”蛇形管组固定支撑方式

2.3 应力计算临界点设置

同样对于最外侧一条管道,图2和图3中所示虚线管道,对于不同的2种固定支撑方式,应力计算时选用的临界点也不一样。

2.3.1 “挂壁式”固定支撑方式

“挂壁式”固定支撑方式主要有4个关键点,分别设置为A1、A2、A3、A4,此4个固定点随着温度的变化,与壳体一起进行热膨胀,计算出热位移见表2,其中x方向为向右,y方向为向上,z方向为垂直于纸面向外。

表2 “挂壁式”固定支撑关键点热位移 单位：mm

管屏上的管夹处,受到整个管屏的重力。计算得出每个管夹节点处受力为951 N,方向为-y方向。

2.3.2 “吊挂式”固定支撑方式

“吊挂式”固定支撑方式主要有7个关键点,分别设置为A1～A7,此7个固定点随着温度的升高,与壳体一起进行热膨胀,计算出热位移见表3。其中x方向为向右,y方向为向上,z方向为垂直于纸面向外。

表3 “吊挂式”固定支撑关键点热位移 单位：mm

3 应力计算结果分析

用PipePak应力计算软件对2种固定支撑方式的蛇形管道分别进行应力计算。该计算软件操作方便、界面简洁、适用于多种行业,计算快速、结果可靠,是应用较广泛的管道应力分析软件之一。软件基于一系列管道设计标准,其中包括：ASME B31.1[3],ASME B31.3[4],ASME B31.4[5],ASME B31.8[6]等。在软件中建立2种布置管道模型,输入管道计算条件,进行计算分析。

管道的应力种类分为一次应力、二次应力、峰值应力。一次应力是指因压力或重力等外加载荷而产生的应力;二次应力是指管道由于受到温度变化产生的热胀冷缩或者其他位移受到约束而发生的应力;峰值应力指管道局部热应力或者局部结构不连续产生的共同影响叠加到一次应力和二次应力之上的应力增量。本计算模型中,管道的材料、规格都相同,从计算结果看,2种固定支撑不同的管道的差异较大的为一次应力,所以针对一次应力计算结果进行分析。

3.1 “挂壁式”固定支撑方式的蛇形管应力计算结果

“挂壁式”固定支撑方式的蛇形管应力计算结果见图4,计算结果显示,应力最大点为图4中Max处。

图4 “挂壁式”固定支撑方式的蛇形管应力计算结果

整个蛇形管依靠A2、A3两点挂在外部壳体上,由于受到管道自身重力的原因,远离固定点位置弯头处的管道变形量非常大,如图5所示：Max处-y方向出现较大的变形量,导致图4中Max点处有较大的应力,应力比超过了标准4.578倍,管系应力计算不合格,所以此种固定方式是不可行的。在运行过程中,管系受到较大的应力,易产生故障,且较大的变形量会使管道与其周边的其他零件产生碰撞,降低系统运行的稳定性。

图5 “挂壁式”固定支撑方式的蛇形管应力变形

3.2 “吊挂式”固定支撑方式的蛇形管应力计算结果

“吊挂式”固定支撑方式的蛇形管应力计算结果见图6,整个蛇形管通过A2～A6吊挂在壳体顶部,此种吊挂结构,对于管系的变形量得到了很好的控制(见图7),变形量非常小,所以整个管系的应力水平也明显减小,根据结果可以得出管道应力百分比为18.8%,满足强度要求,管系应力合格,且应力变形情况满足蛇形管的空间要求,避免与周围其他零件产生碰撞,使系统运行更加稳定和安全。

图6 “吊挂式”固定支撑方式的蛇形管应力计算结果

图7 “吊挂式”固定支撑方式的蛇形管应力变形

4 结论

根据对2种不同固定支撑方式的蛇形管的应力计算结果可以看出,“吊挂式”固定支撑方式是比较可靠的。“吊挂式”的应力变形量最大只有1.5 mm,而“挂壁式”的应力变形量达到36.5 mm,不管是管系的应力比还是变形量,“吊挂式”都是优选。在较早项目中,使用“挂壁式”固定方式,已经发生管系变形、蛇形管组出现故障的事件。对于本顺酐项目,利用“吊挂式”蛇形管的固定支撑方式,对设备的稳定和安全,能够起到重要作用。后续可根据上述计算结论,选取“吊挂式”固定支撑方式,保证项目结构的稳定性和可用性。