变换装置中高温管道的应力分析及设计

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备与
柔性不好。
2 变换装置高温管道设计探讨
2.1 变换装置管道特点 变换装置中变换气工艺管道的操作温度普遍在 00 ℃以上，有的管道的操作温度在 500 ℃左右。随
着装置规模的扩大和降低成本的要求，变换气管道的 操作压力也在 .0 MPa 左右，管道直径普遍在 DN500 以上，管道壁厚也在 0 mm 以上，管道的刚度较大，
少 X 方向的直管长度，或者增加管道柔性。由于换热 器靠近变换炉的一侧已经有其他管道，设备布置也已 经固定，无法通过减少 X 方向的管道长度来降低管口 X 方向的推力， 因此只有通过更改管道走向， 增加柔 性来降低推力。如图 所示，通过增加一处 U 形弯来 器进口前的弹簧支架 (10 节点 ) 处加 Z 向限位架。 3.4 结果比较与分析 提高管道柔性，吸收管道产生的热胀力，同时在换热
管道
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》
2.2 变换装置高温管道设计思路 变换气工艺管道管径大、 壁厚大造成管道刚度 大，同时由于温度高产生的热胀力又对设备管口产生 较大的推力，所以在管道设计时要充分考虑管道的柔 性。管道柔性反映了管道变形的难易程度 , 表示管道 在管道设计中，增加管道柔性的方法主要有 ：改变管 道走向、选用补偿器和选用弹簧支吊架 []。 在条件允许的情况下，应首先考虑采用改变管道 走向和选用弹簧支吊架的方法来增加管道柔性。一般 来讲， 当两固定点位置一定时， 增加管道长度可以增 加管道柔性 ；管道在某一方向过于刚硬时，增加与其 垂直方向的管道长度可减小管道刚度 [5]。弹性支吊架 分可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架两大类，合理利
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图1 原始配管模型及管道运行时的形变
》
由表 1 可知变换炉出口及换热器入口在 Y 方向 ( 垂
直方向 ) 都有较大的初始位移，如果采用刚性支架会 造成管道的托空或顶死，从而造成相邻支架或设备管 口的受力增加 [9]。在这两处都考虑利用弹簧支吊架来支 撑管道，使支吊架在承受一定载荷的情况下又能允许管 系有一定的垂直位移 [9]，从而将约束放松，降低设备管 口的受力。在 100 节点处加 +Y 向支架以支撑管道质量， 然后进行程序运算。计算结果表明该管道的一次应力、 二次应力均符合标准规范的要求 ； 设备管口和支吊架的 受力及设备管口许用受力如表 和表 所示。 3.3 管系分析与调整 从表 的计算结果可以看出 9，100，10 三处 的支架受力均在合理范围内；与表 中的管口许用载 荷相比， 变换炉出口及换热器入口 X 方向的推力偏大， 超过了 HG/T 065.5 中规定的静设备管口许用载荷， 换热器出口的 Y 向受力也偏大； 变换炉出口 Z 方向 的力矩也超过了 HG/T 065.5 中规定的静设备管口
全，利用CAESAR II软件对一氧化碳变换装置的部分管道进行应力计算和优化，使设备管口的受力符合标 准规范的要求，确保装置安全平稳运行。对一氧化碳变换装置高温管道的设计思路进行了探讨，提出了 降低设备管口受力的几种方法，为同类管道的设计提供了参考。
关键词：应力分析；高温管道；柔性；变换装置 中图分类号：TQ 050.；TH 1 文献标识码：A 文章编号：1009-81(01)01-005-0
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1 概述
工设
随着工业的发展， 大量高温、 高压、 大直径、 大壁厚管道的应用，管道的设计显得越来越重要 [1]。 管道应力分析也越来越受到设计单位和投资方的重 视，尤其在一些外资投资项目和国家重点工程中，都 明确要求设计单位提供管道应力分析计算书 []。管道 应力分析是管道设计的基础，它研究管道在各种荷载 作用下产生的力、力矩和应力，对管道的安全性进行
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3.2 管道的应力计算 根据以上条件及管道轴测图， 在 CAESARII 软 件中建立三维模型，如图 1 所示 ( 棕绿色部分为管道 运行时的变形情况 ) 。
工设
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管道
架，以限定管道在某些方向的位移，从而改变整个管 系的力和力矩的分布，使管道对设备管口的推力和力 矩降低下来。虽然这样设计会使管道的热胀应力有所 增加，但只要限定在许用应力范围以内，仍然是经济
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Fy/N 操作/设计 8 80/11 -1 6/-1 6
备与
向和 Y 方向的力矩分别从 50 000 N·m 和 150 000 N·m 降低到 0 000 N·m 和 70 000 N·m，调整后的设备管口 受力均符合表 中许用载荷的要求。结果表明 ：通过 加 U 形弯增加管道柔性后，各管口的受力和力矩降低 很明显，也都符合了设备管口的许用载荷。
01 年 月
杨羽华. 变换装置中高温管道的应力分析及设计
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用弹性支吊架，可以在不改变管线走向的前提下增加 管道的补偿能力， 在热力管网布置中应优先考虑 。 弹簧支架并不是设置得越多越好，太多会造成整个管 系的不稳定，特别是一些转动设备的管道支架，如果 弹簧设置不合理会引起振动 。 由于变换气工艺管道的操作压力较高， 而且变 换气为易燃易爆介质，不宜使用膨胀节等补偿器，所 以最好采用改变管道走向和选用弹簧支吊架来增加 管道的柔性。由于变换流程及布置的影响，变换气管 道主要在变换炉和换热器以及气液分离器与换热器 之间来回穿行；通常换热器布置在中间框架上，而变 换炉和气液分离器分布在框架两侧，这就造成了变换 较长。为了增加管道柔性，在配管设计时就要避免这 些管道在平面上直线连接， 而要通过走立面 U 形或 П 形来增加管道的柔性。 通过改变管道走向增加管道柔性可以降低管道对 设备管口的推力和力矩，这样就增加了管件数量和管 道长度。变换气管道多采用不锈钢和铬钼钢材质， 管 材的价格相对较高， 这就增加了投资费用， 所以在进 行管道柔性设计时，在保证管道具有足够柔性来吸收 变形的前提下，应注意避免使管道过分柔软，这不但 吊架形式也是降低管道在某方向推力和力矩的一个重 可以避免管道振动，还可以减少投资 [5]。合理选择支 要措施。 在管道的适当位置设置刚性吊架和限位支 炉和气液分离器与换热器之间进出的管道直线距离
收稿日期：011-05-； 修回日期：011-1-08 作者简介：杨羽华 (198—) ，男，湖北荆门人，助理工程师。主要 从事配管和管道应力分析。
通过自身变形吸收热胀、 冷缩和其他位移变形的能力 []。
和 H 属于有毒、 有害、 易燃易爆气体。 根据 HG/T 0519—009《化工工艺设计施工图内容和深度统一 规定》中管道应力分析与计算的要求，这些管道都要 进行详细的应力分析。这些管道的合理布置对于整个 装置的安全运行起着至关重要的作用，而应力分析是 确保这些管道和与之相连的设备安全运行的必要手 段之一。
评价，使设计的管道尽可能经济合理 []。通过对已经 布置的管道进行应力计算，求出管系的最大应力点和 最大应力值，使之在规定的许用范围内；计算出与设 备相连的管口推力和力矩，使之在设备管口的许用载 荷内；计算出各支吊点的作用力、力矩及位移，以便 控制一定的位移量和为管架设计提供依据 。 目前， 煤化工项目中变换装置的一变炉和二变 炉出口， 变换气管道的设计温度接近 500 ℃、 设计 压 力 也 高 于 .0 MPa， 而 变 换 气 中 的 主 要 成 分 CO
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道材料为 15CrMo， 管径为 φ508 mm×0 mm， 管道 的操作温度 0 ℃， 操作压力 .65 MPa， 设计温度 500 ℃，设计压力 . MPa，与管道连接的设备管口初 始位移见表 1。
表1 设备管口初始位移 mm
管口 变换炉出口 (节点号：10) 换热器进口 (节点号：10) ΔX 操作/设计 0/0 0/0 ΔY 操作/设计 -1/-1 1/1 ΔZ 操作/设计 -10/-11.5 0/0
Fx/N 8 67
许用载荷，换热器出口 Y 向力矩也偏大。
从图 1 中看出管道在 X 方向的长度较长，而管道 运行温度在 0 ℃，管道 ( 深色部分 ) 运行时 X 方向 的位移较大， 管道的受热膨胀造成了设备管口受到 X 方向的推力过大，同时也造成 Z 方向的力矩超标。从 图 1 中看出， 要减小设备管口 X 方向的推力， 可以减
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Fy/N 58 800
表3 HG/T 20645.5中管口许用载荷计算值[10] (设计温度500 ℃，DN500的管口)
Fz/N 58 800 Mx/(N·m) 5 016 My/(N·m) 178 75 Mz/(N·m) 178 75
工设
0 000 N 左右下降到 000 N 左右 ；变换炉出口 X 方 向和 Z 方向的力矩分别从 50 000 N·m 和 0 000 N·m 降低到 5 000 N·m 和 100 000 N·m，换热器进口 X 方
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化 工 设 备 与 管 道
第 9 卷第 1 期
表2 设备管口及支架受力
节点号 10 9 100 10 10 Fx/N 操作/设计 -7 768/-89 0 5 660/5 01 0 67 8/8 795 Fy/N 操作/设计 5 70/-8 105 -6 87/-7 97 -19 91/-17 788 -55 78/-57 07 - 19/-5 1 Fz/N 操作/设计 16 8/19 95 0 1 07/1 196 0 -16 9/-19 99 Mx/(N·m) 操作/设计 0 67/50 79 0 0 0 7 56/56 799 My/(N·m) 操作/设计 5 59/65 86 0 0 0 11 516/150 9 Mz/(N·m) 操作/设计 198 /1 977 0 0 0 -1 / 55
合理的 [8]。在对变换气管道进行应力计算时，应首先 通过调整支架的形式和位置来降低管道对设备管口的 推力和力矩 ；仍无法满足要求时再考虑改变管道走向 和增加自然补偿的方法来降低设备管口的推力及力矩。
3 设计实例分析
使用 CAESARII 软件对某合成氨项目 CO 变换 装置，一变炉出口到变换炉进料换热器进口管道进行 应力计算。 3.1 管道的主要设计参数 管道介质为变换气 ( 主要成分为 CO 和 H) ， 管