富溶剂泵管线的应力分析

(海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266061)

石油化工装置中，各类离心泵以其操作费用省、维修量小等诸多优点，得到了广泛应用。离心泵是回转机械，是一种精密机械，一旦其受到的外力，超过许用值，泵本体就会发生形变，产生振动、噪声，进而烧毁或损坏轴承[1]。因此在泵的进出口管道设计过程中，必须充分考虑因热胀引起的管道作用在泵管嘴处的力和力矩。本文中提及的应力计算，均由CAESAR II完成。CAESAR Ⅱ是由INTERGRAPH公司开发的管道应力分析专业软件，它被广泛的应用于石油、化工、电力、钢铁等领域[2]。通常，管道应力分析包括管道柔性设计、静力分析和动力分析[3]。本文以某加氢装置内富溶剂泵为例，阐述泵进出口管道的应力计算，校核一次应力、二次应力，校核泵管嘴受力，以及管道固有频率对振动的影响[4]。

1 应力分析建模基础数据

图1 富溶剂泵流程简图

在汽油加氢装置溶剂抽提单元中，富溶剂泵部分的流程为富溶剂由抽提蒸馏塔(C19601)塔底进入富溶剂泵(P19603AB)升压，然后进入溶剂回收塔(C-19602)进行溶剂回收，如图1。

泵出入口管线参数如1所示。

表1 出入口管线参数表

注：该装置中富溶剂泵的入口为DN100，出口为DN80，端进顶出。

图2 表2中力和力矩坐标系(用于端进顶出的卧式泵)

离心泵管嘴受力不应超过制造厂提供的允许值。API-610(美国石油学会标准)有关于管嘴受力的规定是管嘴允许受力的最严格标准，制造厂可根据其实际经验数据，允许较大的受力[1]。本文中提及的富溶剂泵进出口管嘴受力按照API610中对管嘴负荷表的2倍进行校核，见图2与表2[5]。

表2 管口负荷表

2 富溶剂泵管道系统应力分析

2.1 管道系统模型

本文对流程图中的管道作应力分析，泵入口管道规格及参数见表1。本文中有P19603A/B两台泵，一开一备。按实际配管规划，在CAESAR II中建立的配管模型如图3所示。

图3 富溶剂泵应力模型

2.2 模型应力分析

在运行模型以前，需要对模型进行检查并初步优化。因泵出入口管线经过管廊，并且都有固定点，因此泵入口管线固定点前的部分、泵出口管线固定点后的部分模型可以去掉。根据P&ID，P19603A/B为一开一备，故需要设置两种工况来模拟泵一开一备的情况。

图4 富溶剂泵优化后应力模型

在Caesar II运行后，得出应力计算报告如下：

①一次应力比为16.1%，二次应力比A开B备工况下为13.8%，二次应力比B开A备工况下为25.0%，说明管道系统有足够的刚性和柔性。

②表3为泵管嘴操作态受力情况。可以看出，操作态备用泵入口Fb、mc不能满足2倍API610管嘴受力的要求。偏大的原因主要是由于入口管线布置不合理，操作态X方向热位移产生的轴向应力过大导致。

③表4为操作态各支架应力、力矩及位移。从表中可以看出，支架节点1160脱空，该管线管径为Φ114.3×6.02，通过泵管嘴受力的分析可知，该处支架托空，对管嘴受力影响不大，该处支架可以删除。

④表5为管道系统固有频率。为防止管道系统固有频率与激振频率接近产生共振，破坏管道，故管道系统应有足够的刚性，来保证管道系统固有频率大于5Hz。从表中可以看出管道系统有一处小于5Hz，需要增加导向或止推支架。因此该管道系统需要寻求更合理的布管方式与支架设置方式。

表3 泵管嘴受力情况

表4 各支架节点热态应力、力矩及位移

表4(续)

表5 管道系统固有频率

3 优化后的富溶剂泵管道系统应力分析

3.1 优化后的管道系统模型

经过管道系统以及泵管嘴的受力分析得出的优化方向，本文对该管道系统进行了优化。优化后的计算模型如图5所示。

图5 优化后富溶剂泵应力模型

3.2 优化后模型的应力分析

运行该应力模型，得到优化后模型的应力报告。主要分析结果如下：

①一次应力比为16.0%；二次应力比A开B备工况下为21.7%， B开A备工况下为17.4%；说明优化后的管道系统满足管道柔性的要求，二次应力分布比初始状态更好。

②表6为管道系统模型优化后富溶剂泵管嘴受力情况。

通过对初始模型的计算，泵入口管嘴受力不符合API610的要求。一开一备情况下，都是fb方向力过高。通过研究管道走向，可以明显看出，泵入口管道分布不均匀，而且固定点位置不合理，Z向热胀导致的mb力矩过大。因此优化方法是调整管线布置，尽量保持泵入口管线呈对称布置，固定点向Z轴正向移动。通过表6可知，模型优化后泵管嘴受力符合API610的要求。

③表7 管道系统模型优化后管道系统固有频率。管道系统固有频率可以通过增加管道刚性来提升，但是管道刚性增加，必然会限制管道热胀的方向，从而影响泵管嘴的受力。通过分析，管道系统固有频率4.641Hz处为1150～1170段，振动方向为Z方向。该段管道内有一处支架，考虑设置导向支架，限制管道Z向的位移，提升刚性。因该处管段距离泵出口较近，为防止管线刚性太大影响泵管嘴受力，将导向间隙设置为3mm。通过计算结果可知，管线优化完全符合预期要求。

表6 管道系统模型优化后泵管嘴口受力情况

表7 管道系统模型优化后管道系统固有频率

表8 管道系统模型优化后各支架节点热态应力、力矩及位移

表8(续)

④表8为管道系统模型优化后各支架节点热态应力、力矩及位移。从表中可以看出，支架节点1160脱空，但为保证管道系统的固有频率，该处设置导向支架，且支架受力在合理的范围内。

4 结论

对于该模型，难点主要有两点，一是泵管嘴受力不符合API 610的要求；二是管道系统固有频率小于5Hz。下面对该模型的计算，进行总结：

(1)泵是精密设备，管嘴受力一旦超出许用范围，不止会对泵体造成损伤，而且还可能损伤轴承。因此，管道布置时，在保证管道系统有足够柔性的前提下，应使泵进出口管道最短，且进出口管道尽量对称。

(2)通过CAESAR Ⅱ对不同布置方案的管道系统进行应力分析，找出较优的管道布置方案。通过调整管道布置方案，合理设置导向或者固定支架，在保证管道系统具有足够柔性的前提下，减小管道系统对泵管嘴受力的影响。

(3)管道需要足够的柔性，同时应具有足够的刚性，避免管道固有频率与激振频率接近产生共振，破坏管道。