集中再生塔底泵进出管线应力分析及配管优化

(1.镇海石化工程股份有限公司，浙江 宁波 315000；2.浙江国贸集团东方机电工程股份有限公司，浙江 杭州 310016)

泵作为一种高速转动设备，在整个装置中，为介质输送提供动力来源。现代装置一般要求泵能够长周期平稳运行，因此，对泵管口的受力有着严格要求。通常，受力限制由制造厂提出或参照美国石油学会的 API610标准[1]。管径越大，介质温度越高，则管系对泵的推力和力矩就越大。在管道设计中，如果管道的走向﹑支架位置或者支架型式设计不合理，就会造成管道的作用荷载不均衡、泵管口荷载过大，由此导致泵和驱动机轴的不对中，进而影响设备的正常运转，甚至毁坏设备。因此，必须对管道进行应力校核、管口受力分析、管道变形分析和管道支吊架设计等，以达到限制作用于转动设备的荷载，使其在运行周期内平稳运行的目的[2，3]。

本文以配管工程师提交的集中再生塔底泵配管方案为例，分析其管线走向、支架位置、支架型式及应力状态，进而对配管方案进行优化。

1 校核标准

校核泵进出口管线应力时，除了管系要满足一次应力和二次应力的要求外，泵管口荷载还应按照API610附录F 的规定进行核算。本文采用CAESAR Ⅱ中的API610模块进行核算。管口力和力矩的坐标系见图1，具体核算标准列举如下[1，4]。

(1)作用在每个泵口法兰上的各分力和分力矩不得超过API610中表4(T4)规定限度的2倍以上。

(2)作用在每个泵口法兰上的合成外加力(FRSA、FRDA)和合成外加力矩(MRSA、MRDA)应当满足适当的相互作用方程式。

[FRSA/(1.5×FRST4)]+[MRSA/(1.5×MRST4)]≤2

(1)

[FRDA/(1.5×FRDT4)]+[MRDA/(1.5×MRDT4)]≤2

(2)

(3)作用在每个泵口法兰上的外加分力和分力矩必须移到该泵的中心。外加合力(FRCA)的大小、外加合力矩(MRCA)的大小以及外加力矩的大小应当受到方程(3)、(4)和(5)的制约。

FRCA≤1.5(FRST4+FRDT4)

(3)

|MYCA|≤2.0(MYST4+MYDT4)

(4)

MRCA≤1.5(MRST4+MRDT4)

(5)

图1 管口力和力矩的坐标系

2 案例介绍

本案例来自溶剂再生装置，塔底泵P-0101AB和集中再生塔C-0101的相对位置见图2。介质密度为800kg/m3，泵进出口管线及管口基本参数见表1。两台塔底泵为一开一备。由于泵进出口管线之间均设置了暖泵线，可以认为备用泵与运行泵的进出口管线工作温度一致，否则应重新考虑备用泵进出管线切断阀之间的温度取值，通常做法为取正常温度的一半[5]。

图2 泵和塔的平面布置

表1 泵进出口管线及管口基本参数

3 方案比选与校核

3.1 泵进口管线

泵进口管线的各配管方案见图3。方案1为配管工程师提供的初始配管方案，塔与泵、泵与泵之间的管线基本以最经济的方式连接。这种配管方案缺乏柔性，通常只适用于常温、小管径的管道系统[6，7]。方案2～方案4是在方案1基础上不断进行优化所得。各方案下泵入口载荷比较见表2。

图3 塔底泵进口管线配管方案

对方案1～方案4进行应力计算，得到泵管口(节点130和节点1130)的受力及力矩值(见表2)，其中，限定值为API610规定值的2倍。对比方案1和方案2可以看出，由于方案2增加了塔与泵之间的柔性，吸收了部分X方向的推力，使得管口FX值减小了很多，同时MZ值也小了很多。但该方案中泵与泵之间的柔性未得到改善，两台泵管口FZ值(绝对值)都还比较大；对比方案2和方案3，由于方案3增加了两台泵之间的管线柔性，使得各自管口的FZ值又减小了很多。方案4是对方案3的进一步优化，调转了泵与泵之间管线补偿的方向，使得泵管口的MZ扭矩得到了改善。最终的方案见图4，相比方案3，方案4在保证柔性的前提下，简化了塔与泵之间的补偿，并在靠近管口的弯头处增加了弹簧支架。

表2 各方案下泵入口荷载比较

3.2 泵出口管线

配管工程师提供的泵出口配管方案见图5，管口荷载见表3，其中限定值为API610规定值的2倍。对比计算值和限定值可知，该方案的管口受力和力矩均在限定值范围内，符合荷载要求。

图4 最终方案

图5 出口管线配管方案

表3 泵出口荷载

3.3 泵进出管口整体校核

整体校核通过CAESARⅡ的API610模块进行，需要注意的是，当模型坐标系与API610里的坐标系不一致时，需要对坐标进行转换，这里不再赘述，计算结果见表4。该表与第1节所列方程式(1)～(5)对应。计算值为方程式左边计算结果，系数或限制值为方程式右边计算结果。方程式成立则校核结果为Passed。可以看出各项校核结果都为Passed，因此整体校核为Passed。

4 结语

泵进出管线，特别是进口管线的配管设计，一直是应力分析的重点和难点。配管工程师在初选配管方案时，应充分考虑管道的柔性，同时要为管道支架的设置留足空间，以避免后续修改管道走向时，出现空间不够或与周边其他管道发生碰撞的情况。这样可以一定程度上减少后续修改管道走向时的工作量。应力工程师在做应力分析时，应充分理解管口所受力和力矩的产生根源，对在哪个位置增加管线补偿和在哪个位置设置何种支架做到心中有数。在保证应力及荷载指标符合要求的情况下，应使配管更加简洁和经济。今后如遇到相似案例，文中的最终方案可作为典型配管方案为配管工程师提供参照。另外，文中的整个分析优化过程也可为应力工程师提供分析思路。

表4 整体校核结果