CAESAR II软件在空分换热器冷箱外管系应力分析的应用

张 宇，崔国栋，林 彬

（中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉 430223）

概述

对全精馏无氢制氩成套空分设备而言，因产品氧气要求压力较低，多选择塔内液氧泵、液氧蒸发器的流程组合：液氧加压后，在板翅式换热器中与高压空气进行换热，气化复热后送出冷箱；复热工序进出冷箱的介质管道均从换热器冷箱顶部经双法兰接管管口与外部管道连接。

常规工程设计中，考虑到空分装置换热器冷箱顶部管道较多，冷箱顶部管道多设置刚性“门”型支架，承受有效跨距内管道安装及阀门等设备正常运行时的重量荷载。当空分装置因系统维检等需求短停或其他因素需较快恢复生产而进行冷态开车时，由于是在保留主分馏塔内低温液体或主分馏塔内温度接近液化温度的工况下开车，开车初期热负荷较大，为避免液体汽化造成上塔压力过高，会增大主换热器返流污氮气氮气流量，降低上塔压力，此时因主换热器中仅低焓值的低压空气进入而热负荷低，无法将返流气体复热至理想温度，此时污氮气氮气的温度会经常低于0℃甚至达-20℃。［1］研究接换热器冷箱外部返流管道的冷缩对管系应力及支架承载的影响是工程设计中必须重要关注的安全因素。

利用CAESAR II 软件，在对返流污氮气管道不同工况下的一次应力和二次应力进行计算分析的基础上，研究在空分装置板翅式换热器冷箱顶部返流复热气体管道应力变化特征，提出该段管系合理设置弹簧支架的必要性，为空分系统返流复热气体管道的设计优化及弹簧支架的设置、选型提供了理论依据。

1 物理建模

换热器冷箱外管道采用三维配管软件建模，其应力分析选用目前使用最为广泛的CAESAR II软件完成。

1.1 初始条件

（1）冷热端物流管线均从换热器冷箱顶部接入接出，设有刚性“门”型托架支撑管道，管系三维模型见图1。

选取返流污氮管线GWN-0102 进行分析，4 根DN300 的污氮支管自换热器冷箱顶部各接口接出，汇总为一路DN500 的主管去往水冷塔，管道参数见表1。

表1 污氮管线设计参数

（2）工况参数

运行工况：OPE1，运行温度20 ℃，压力15 kPa。

极端工况：OPE2，极端温度-20 ℃，压力15 kPa。

（3）管系计算模型

确定管系支架设置的标准跨距可以足够承受相应管系包括阀门等设备集中荷载在内的重力荷载，且管线平面转弯改变方向时支架的设置力求偏心力矩最小。

根据设备管口安全运行允许加载的初始位移、力和力矩等条件，校核不同工况条件下选择的支架形式、布置方式的合理性。

应力分析和计算中考虑管系冷态、热态之间膨胀荷载下允许的膨胀应力范围和位移（自限性）效应。［1］

管系的温差冷缩变形位移按式（1）计算确定［2］。

式中：Ls——两固定点之间的直线长度，m；

t1——管道的计算温度，°C；

t2——管道安装时的环境温度，°C；

α——管材的线性膨胀系数，mm/(m· °C)。

1.2 建立管系约束模型

在CAESAR II 软件中建立返流污氮管系模型，如图2所示。

图2 返流污氮管线在CAESAR II中的模型

（1）节点1700、2200、2700、3200 为冷箱内主换热器接点，应力分析时按照设备运行工况加载初始位移、力和力矩。

（2）节点1500、2000、2500、3000 为换热器冷箱内导向支架，约束类型为GUIDE。

（3）节点200、700、850 为冷箱顶部“门”型支架刚性支撑点，约束类型为+Y。

（4）节点200、700、850 为冷箱顶部弹簧支架柔性支撑点，约束类型为+Y。

（5）节点1200为管道固定点，约束类型为ANC。

安装温度按20 ℃考虑。

2 应力分析与计算

运行工况和极端工况的应力分析遵循标准《工艺管道（中文版）》（ASME B31.3-2014）。针对不同工况条件对节点200、700、850分别采用刚性“门”型支架与采用弹簧支架两种支撑形式进行计算比较，得出比对结果

2.1 常规刚性支撑运行工况分析与计算

正常运行时，返流污氮管道工作温度与安装工况温度接近，管道温差变形量小，此时因管系及阀门重量的一次荷载所致的一次应力占主导作用，管系常规刚性支撑条件下主要节点的应力分析如表2所列。

表2 列出编号为200、700、850 三个节点为刚性支撑情况下的FY 值显示：换热器冷箱顶部的常规门型刚性支架承担了管道及阀门的重量，此时管系施加于冷箱顶部的垂直荷载累计24 311 N。

表2 运行工况下污氮管系一次应力分析结果

工程设计时根据设备商冷箱顶部结构情况结合FY 的荷载值确定工厂设计是否对现有冷箱顶部结构进行承载加强处理，冷箱本体主要的承载结构设计也可根据此分析结果优化。

2.2 常规刚性支撑极端工况分析与计算

极端工况下，返流污氮温度较运行工况下降了40 ℃，温变引起管道收缩变形，此时二次应力起主导作用，管系常规刚性支撑条件下管道主要节点的应力分析如表3所列。

表3 极端工况下污氮管系的二次应力分析结果

二次应力分析结果表明，因管系的温缩变形产生的收缩力传换热器各支管端的设备接口和冷箱外的主干管道的固定点，换热器冷箱顶部常规门型刚性支架与主干管之间刚性节点，无法吸收四根DN300 支管及节点850 至1200 间主管立管温变引起的冷缩变形，导致换热器冷箱顶部节点200、700、850刚性支撑的垂直附加荷载急剧上升至89 574 N，是正常工况下一次应力时的3.7 倍，主干固定点1200 节点处的受力、弯矩更是大幅上升，导致刚性支架和固定支撑过载发生变形破坏影响设备安全运行的风险。

主换热器各支管接口1700、2200、2700、3200 节点处二次荷载远远超过正常运行允许加载的初始位移、力和力矩，设备接口存在承受二次荷载过大应力偏高被破坏的风险。

在只用刚性管架支撑的管系中，一旦管道发生温变膨胀或冷缩，很可能因为温变的变形导致管道可能在某些管架处脱空而在另一些管架处锁住硬性刚接触使管架过载。

2.3 弹簧支架的配置参数确定

在管系的设计中，为了降低管系膨胀应力缩导致可能的安全隐患，通常会采取减小管道壁厚降低全管系刚度、调整管道走向获得柔性自然补偿或调整刚性支架固定约束位置解决膨胀或冷缩位移吸收等措施。空分装置主换热器冷箱外部的进出物流管道数量多，且排管受局部空间紧凑条件限制，加上承压管道对管道壁厚要求也都基本确定，为解决极端工况下局部管道支撑处二次荷载过大的问题，可采取调整约束设置类型，尝试通过调整使管系去除部分约束以降低冷缩应力来解决此矛盾。

拟将冷箱顶部的常规设置的“门”型刚性管道支撑替换为弹簧支架，通过弹簧的温变位移来支撑给定荷载的约束，允许管线有少于刚性限位的位移，亦即：利用弹簧变形吸收冷缩工况下的管道温变收缩量降低刚性硬接产生的二次荷载。

弹簧支架的选型设计遵循以下两点。

（1）弹簧容许管道从热态转变至冷态的总位移；

（2）当弹簧的荷载从热态变化到冷态时，不会在管系中造成额外的膨胀应力。［1］

设置弹簧支架节点为200、700、850，弹簧支架的配置参数见图3。

图3 返流污氮管线弹簧支架配置

2.4 常规弹簧支架运行工况分析与计算

正常运行时，管系常规弹簧支撑条件下主要节点的应力分析如表4所列。

表4 运行工况下的二次应力分析结果

二次应力分析结果表明，正常运行工况条件下，刚性支撑改为弹簧支架后，冷箱板翅式换热器顶部支架的垂直荷载变化不明显。

2.5 常规弹簧支架极端工况分析与计算

极端工况下，管系设置弹簧支撑条件下管道主要节点的应力分析如表5所列。

表5 极端工况下的二次应力分析结果

二次应力分析结果表明，在极端工况下，板翅式换热器顶部设置弹簧支架后，各节点承受二次荷载较刚性门型支架设置条件下的承载有很大改善，污氮管系对换热器接口的附加荷载均可满足设备管嘴的要求。

3 结论

不同工况下管系加载在板式冷箱顶部的垂直荷载详见表6。

表6 不同工况下返流污氮管系对板式冷箱顶部的附加荷载

根据控制规范对管系设计的常规要求，对实际空分工程换热器冷箱外返流污氮管道建立理论计算模型和约束条件模型，针对不同工况，采用应力分析软件CAESAR II对不同支撑约束负载可能出现的状态进行分析，提出了适合空分工程实际的冷箱外返流污氮管道设置弹簧支架的理论依据。

（1）正常运行时，管系以一次应力为主，温差引起的形变忽略不计，设置刚性支架或弹簧支架对板式冷箱顶部的附加荷载差别不大。

（2）在极端工况下，刚性支架无法吸收管道收缩变形，导致板式冷箱顶部荷载急剧上升，应力传导到冷箱钢结构和设备管口，威胁空分运行安全。

（3）改设弹簧支架后，极端工况下可有效吸收管道冷缩的变形量，降低管口附加应力，保护设备运行安全。

空分设备中换热器冷箱工况较多、温变较大，应根据各种工况合理布置管道及支吊架，对于顶出式换热器冷箱，由于进出口集中，管线复杂，配管空间有限，在无法有效采取自然补偿吸收管道变形量时，可采用CAESAR II软件设计选用弹簧支架，保证换热器设备的运行安全。