管道应力分析在大型空分项目中的应用

冷霜（中国天辰工程有限公司黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150076）

近些年随市场的需求空分项目逐渐大型化方向发展，空分工艺越来越复杂，装置管径越来越大，运行工况也更加复杂；空分项目存在低温管道、高温高压管道、大尺寸薄壁厚管道，

管道应力分析工作占有很大的比重。考虑装置的长期稳定、安全运行，管道的应力分析工作也越来越为大家重视。

空分项目管道设计工作一般分压缩机、冷箱、纯化、罐区等几个主要部分。

压缩机是空分项目重要的设备之一，目前大型的空分项目一般选用Siemens或Man的压缩机。大型压缩机有电驱动和蒸汽透平驱动两种。电驱动压缩机主要考虑空气进、出口管道的应力。压缩机进、出口管道管径较大，大型空分都超过一米。因管径较大自然补偿会造成材料成本上升，也不利于整体布置，所以通常采用膨胀节来吸收管道膨胀应力。

Man压缩机管口受力要求比较苛刻，特别是蒸汽透平的管口需要注意。但蒸汽透平管道的布置按截图中的走向，配合限位架基本可以满足厂家的要求。

纯化系统作为空分重要的前端净化系统，随着技术发展已经逐渐模块化。纯化系统由于管径大，工况复杂，还存在薄壁厚管道，应力分析工作量很大。

纯化系统存在交变循环工况，分析、建模时需认真了解工艺条件，每种工况下每根管道温度压力对应输入，并应考虑增加疲劳工况。

由于纯化系统循环变化次数很多，可达5000次/年。应力补偿方式上，膨胀节已经很难满足要求。不建议选用膨胀节，尽量用自然补偿的方式解决应力问题。

另外在计算中要注意纯化系统中薄壁厚管道。在如d/D<=0.5 and that D/T<=100条件下，CAESARII的计算结果是可靠，而且是准确的。

d-分支管的直径

D-主管的直径

D-管道直径

T-管道壁厚

如大口径薄壁管，分支管接口处，需要采用有限元局部应力分析的方法来进行详细的分析。

目前，国际上的诸多知名石化工程公司普遍采用美国PRG-Paulin Research Group公司的FE/PIPE软件，软件接口程序配合CAESAR软件接口程序，完成应力分析，使结果更加准确真实，保证安全运行的同时还能更好节约管材。

冷箱内部管道，因其特性一般采用耐低温铝合金材料。铝合金材料随温度降低其屈服强度和抗拉强度都有所提高，疲劳特性也有较好体现；既不易发生类似碳钢材料冷脆现象又优于不锈钢的延展性所以被广泛应用于冷箱内管道的材料。

板式冷箱上部应力分析目前是个难点，单纯只考虑冷箱外部很难满足换热器管口受力要求。与厂家做好沟通，将换热器和管道作为一个整体考虑，这样的分析结果才更真实可靠；也避免不必要的补偿。

近些年，空分项目发展迅速，随之而来工厂运行中也出现一些问题。一些管道设计过程中没有得到应有的重视，甚至没做受力分析，结果在生产过程中，管道变形严重，并危及设备的安全运行。所以在工程设计过程中做好管道的应力分析工作，使装置能安全、稳定的运行。

[1]唐永进.压力管道应力分析.第二版.