现代化工扬子石化D套空分的空气净化系统配管设计王为江（南京扬子石油化工设计工程有限责任公司，江苏南京210048）宜的配管设计易引起管道或设备管口变形甚至损坏。利用CAESARn应力分析软件辅助空气净化系统的配管设计，按照一定的步骤进行调整，得到适宜的配管走向及支架位置的设置。
净化系统配管设计需要通过应力分析计算来设计合适的配管。
本文浅析利用应力分析软件CAESARI来辅助空气净化系统配管设计，解决空气净化系统配管设计中遇到的应力问题，确定适宜的配管设计。
1空气净化系统流程及工艺参数空分装置空气净化系统的流程：压缩空气经过空气冷却塔（E2416）冷却后，通过管线（GA-08-48"）进入分子筛吸附器（A2626A/B），去除空气中水分、二氧化碳以及烃类物质后，经过净化干燥的空分装置的生产工艺流程是空气经过过滤、压缩、预冷、净化、低温精馏分离等工艺过程，分离出氮气、氧气以及空气中的惰性气体等产品供用户使用。
其中净化工艺过程是除去压缩空气中的水分、二氧化碳及烃类等杂质。
南京扬子石化D套空分装置为节约用地，设备布置紧凑导致配管空间小，而净化系统管径大，且净化系统在运行过程中不断经历冷热循环变化，管道所受应力存在较大的周期性波动，不适宜的配管设计会引起管道应力超许用应力范围，或令与之相连的设备管口推力、力矩超允许范围，导致管道或设备管口变形甚至破坏，影响装置安全运行。故对空气压缩空气空气净化系统流程图-），男，大学，工程师，从事化工设计工作，025-57785888空气通过管线（GA-11-48"）送往主换热器单元进一步处理。2台分子筛吸附器交替运行，当其中1台在吸附时，另1台进行再生。再生的流程是引一股被再生加热器（E2617）加热的污氮通过管线（RG-02-40"）进入需再生的吸附器，以除去吸附器内的水分和二氧化碳等，再引一股未被加热的污氮通过管线（RG-04-32"）送入再生吸附器，把再生的吸附器温度降下来备用，再生用过的污氮通过管线（RG-21-40"）去放空线放空。其流程简图如所示。
1.2工艺参数如所示，主要有7根管线与空气净化系统运行相关联。空气净化系统管线索引表见表1.表1空气净化系统管线索引表管线号公称直径/in物料管线起止点压力/MPa温度/C名称状态起止操作设计操作设计空气气空气气主换热器污氮气污氮气污氮气污氮气氮气总管放空污氮气放空接的管线操作温度会有较大的周期性变化。例如，当吸附器A2626A进行吸附工况时，管线GA-08-48"与A2626A管口N1.1、N1.2相连接部分的操作温度是14°C，管线GA 2相连接部分的操作温度也是14C，而此时A2626B吸附器进行再生工况，管线GA-11-48"与A2626B管口N2.1、N2.2相连接部分的操作温度先从14C升到189°C，再逐渐下降到14C，管线GA-08-48"与A2626B管口N1.1、N1.2相连接部分的操作温度则从14C逐渐升到80C再降到14C；因此在2台分子筛吸附器交替运行的过程中，分子筛吸附器进出口管线由于温度的变化承受着周期性变化的应力。
2空气净化系统的设备平面布置南京扬子石化D套空分装置为节约用地设备布置紧凑。空气净化系统的设备平面布置如所示，分子筛吸附器A2626A/B布置在场地的中间靠右侧位置，2台吸附器中心的距离是9 m，空气冷却塔E2416布置在场地中间靠左侧位置，距离吸附器A2626A13m，再生加热器E2617布置在场地上很少；F-5121个月切换清洗1次，内部杂质较少。
这是一个渐进的过程。
从去年和今年系统停车检修塔罐检查情况来看，设备底部沉积杂质很少，而且是继续优化的势头，特别是从今年检查情况看，沉积杂质很少。较使用超滤前发生了根本性的改观。
随着甲醇的净化，换热设备使用周期延长，低温甲醇洗工况长期保持在一个良好的工况下运行，随运行时间的延续工艺参数变化不明显。
5存在问题超滤器的投用，对优化工艺操作效果明显，但滤芯的超声波再生清洗效果不好。原设计该过滤器不用人工清理，用超声波震荡后，滤芯所吸附的渣质自动脱落，但在使用过程中，滤芯经过超声波再生后，滤芯下部1/3渣质大部分脱落，上部2/3部分几乎没有效果，在超滤器超声波再生无效的情况下，被迫人工清理滤芯，既费事又费力，并对人体有害。
现在超滤器配套使用的超声波再生清洗机已坏，由于清洗效果不好，也没有再修复或配置，全部用人工清理滤芯。
从以上情况可以看出，超滤器应用于低温甲醇洗系统过滤杂质完全可行，对系统的净化效果也很好，但超声波再生方面需要进一步改进。
空气净化系统设备平面布置图侧管廊的上方靠右侧位置。分子筛吸附器A2626A/B管口N1. 1、N1.2在设备下部，管口方向朝下，管口N2.1、N2.2在设备上部，管口方向朝上，空气冷却塔E2416的管口N2在罐顶，再生加热器E2617的进、出口管口N3、N4在设备罐壁上下一条直线上，管口方向向右。
3配管设计和应力分析3.1配管设计和应力分析步骤管道应力分析是辅助配管设计的，二者之间有一个合理顺序安排问题，合理的步骤是：根据设备平面布置和工艺流程图，绘制出管道平面布置草图，然后把配管数据以及管线相关操作参数输入应力分析软件进行计算。
对结果中超允许范围的数据进行原因分析，然后调整相应配管走向或支架设置，再进行应力分析计算。
如结果仍不符合要求，则继续调整配管设计，再进行应力分析计算，直至得到符合应力分析要求的结果。
3.2应力分析步骤为了尽快通过简洁的应力分析计算得到合适的配管设计结果，每一步管道应力分析计算要解决的问题要注意先后顺序，本项目应力分析解决问题的具体步骤主要有2步：首先要关注在不同工况下管道上三通、弯头、支架等处的应力是否超过许用应力范围，这里的应力主要是指二次应力，所谓二次应力是指管道变形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡，二次应力的特点是具有自限性。二次应力过大时，将使管道产生疲劳破坏。在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。在空气净化系统中管道应力主要是二次应力。管道应力值不能超过管道许用应力范围，一般不超过80%许用应力范围m.有2个工况不断交替进行，工况一是分子筛吸附器A2626A在吸附，A2626B在再生；工况二是A2626B在吸附，A2626A在再生。
通过调整配管走向或支架设置解决了管道应力的问题后，再关注设备管口推力及力矩是否超过设备管口载荷允许范围。
4空气净化系统配管应力分析与配管调整4.1配管应力分析4.1.1空气净化系统配管图空气净化系统配管图如和所示，图中A表示支架。弯头、三通、支架以及设备管口等空气净化系统进口配管示意图均标有节点号。应力分析软件将算出节点处的应力大小，并判断其是否超过允许范围。
中GA-08-48"管线上6180点支架是承重架，170点是导向架，管线RG-10-36"上1710、1730、1760、2215等节点处设置导向架，节点1860处支架设置的是固定架，管线GA-11-48"上节点1070处设置固定架，其他节点处支架均为滑动架。
节点1070、1860处设置成固定架，把空气净化系统和其他单元分隔开，简化空气净化系统的应力分析计算。支架类型的选择是否合适，需通过应力分析计算检查。
4.1.2配管应力超允许范围节点统计及原因分析配管数据及各工艺参数（温度，压力），输入应力分析软件CAESARn进行计算，计算出各节点的应力。应力超过许用应力允许范围节点如表2所示。
表2超许用应力范围节点统计表管道工况节点号节点位置部件节点应力/kPa许用应力/kPa节点应力：许用应力/%三通支架三通支架三通二三通支架三通支架三通结合表2、以及可知，超应力允许范围的管道节点集中在与分子筛吸附器A2626A/B进出口附近管道的三通与支架处，分析原因，主要是配管空间有限，而管径又较大，管口附近管道的自然补偿不够。
4.2第一次管线调整及调整后管线应力核算降低应力以及设备所受的力和力矩可采用下述措施0：加设弯管，增大管系的局部可挠性；利用弹性吊架等放松约束，或增加可挠性又利用限位支架限制管系向特定方向的位移量，以及在设备管嘴附近设置固定支架，以减少作用在设备管嘴上的力和力矩；为增加整个管系的可挠性而改变管系的走向；由表2可知，与地管相连的三通节点7020及其应力较多，需要调整配管，但由于此处管径较大且配管空间有限，想要通过改变配管走向，增加自然补偿的办法来降低管道应力非常困难，因此措施（1）、以及（4）不适宜。
空气净化系统管道的特点是管道直径大，操作温度较高，且变化较大，但操作压力不算大，节点7020所在管线RG-21-40"的操作压力只有0.013MPa，此种情况可以考虑在7020点三通两边加膨胀节，来吸收管道的径向和轴向位移，从而降低管道应力，措施（5）适合。
线上的三通节点2550处应力超许用应力，这几个节点应力之所以超范围，和管线RG-04-32"、GA-11-48"以及RG-10-36"都有关系，其中GA-11-48"管线位置空间有限，不好修改，只能从调整RG-04-32"以及RG-10-36"管线着手，RG-04-32"管线可以考虑改变配管走向来增加自然补偿，同时由于污氮管线RG-10-36"操作压力也极低（近于0MPa），因此可考虑将其与地管相连处也用膨胀节相连，来进一步降低管道应力，措施（3）可行，具体配管修改如所示。
调整后的配管数据输入CAESARn进行计算，各节点应力值均在允许范围内，如表3所示。
表3修改后各节点应力比较表管道工况节点号节点位置部件节点应力/kPa许用应力/kPa节点应力：许用应力/%三通支架三通支架三通二三通支架三通支架三通4.3第二次配管应力分析通过调整配管，以及增加膨胀节，系统管道各节点处的应力已经符合许用应力要求，接下来计算空气净化系统各个设备管口推力和力矩是否在设备管口载荷允许范围之内。
本项目设备管口的允许推力和力矩值由设备制造商提供。
直接根据第一次管线调整后的数据计算发现，再生加热器E2617的N3、N42个管口推力和力矩有超允许范围的地方，具体见表4.表4再生加热器管口载荷表力/N力矩/Nm X方向Y方向Z方向X方向Y方向Z方向允许载荷N3管口工况一工况二N4管口工况一工况二从表4中可以看出N3管口的Y方向推力以及N3、N4管口的X和Z方向的力矩超过允许载荷，造成这种情况发生的原因，主要是因为竖直布置的再生加热器E2617受热膨胀，导致设备管口N3、N4上移，把和管口相连的管线RG-01-36"、RG-02-40"、RG-10-36"也往上抬，造成这几根管线和管线上靠管口位置较近的几个管架脱离，管架起不到支撑管线重量的作用，导致管线重量作用在管口N3、N4上，造成设备管口推力和力矩超允许范围。
4.4第二次管线调整及调整后管线应力核算超允许载荷的问题，不需要改变管线走向，把管线RG-01-36"弯头节点1620，管线RG-02-40"上节点1530处支架改为弹簧支架，管线RG-10上节点1710处设置的支架改为弹簧吊架（此处用弹簧吊架而不用弹簧支架，只是因为该处管廊位置不易设置弹簧支架），当管线上移时，弹簧架不会和管线分离开，管线的重量仍由这几个支（吊）架承担，设备管口所受的推力及力矩就会减小。措施（2）可行。
重新输入数据计算，得到的再生加热器管口载荷如表5所示。再生加热器E2617的N3、N4管口原来超允许载荷的力和力矩均已大幅下降至允许范围以内。
表5调整后的再生加热器管口载荷表力/N力矩/Nm X方向Y方向Z方向X方向Y方向Z方向允许载荷N3管口工况一工况二N4管口工况一工况二在开始应力分析前非常担心的分子筛吸附器A2626A/B力和力矩，经应力分析计算，发现并没有超过设备管口载荷允许范围，这说明分子筛吸附器进出口管线目前的布置对于分子筛吸附器进出管口是合适的，不需要调整，该设备管口推力及力矩已经满足设备厂家提供的允许载荷要求。
5结论综上所述运用应力分析软件CAESARn辅助配管设计，首先解决配管设计中的应力问题，然后解决设备管口推力和力矩问题，最终确定适宜的配管走向及支吊架的型式及位置，降低应力对管道和设备的影响。设计人员需根据应力分析软件计算结果发现问题，运用自身的知识和经验去分析计算结果，确定调整方案，得到适宜的配管设计。
