浅谈空冷器入口管道的应力分析及管道布置

浅谈空冷器入口管道的应力分析及管道布置

韩文娟,申阳,黄文章,石国锋

新疆寰球工程公司， 新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830000

摘要：空冷器是石油化工生产过程中常用的冷交换设备。空冷器是以周围环境中的空气作为冷却介质，使管道内高温的工艺流体冷却降温或冷凝为液体的设备。与水冷相比，在水资源匮乏的地区空冷器可以节省更多的冷却水，减少工业区的水污染，降低投资和操作成本。空冷器在石油化工行业的使用范围日益扩大，空冷器的工艺特点、配管设计、管道支架选型也变得尤为重要，因此成为石油化工工程设计中不可缺少的一个重要环节。本文主要介绍空冷器进出口的管道布置、管道的柔性设计、管道支架选型等。

关键词：空冷器；管道布置；柔性；支架；应力计算

1 空冷器布置及管道支架设置

1.1 空冷器布置的基本要求

空冷器因占地面积较大，所以很少直接布置在地面上，一般把空冷器布置在管廊顶部，空冷器也很少布置在单独的空冷器框架上或者冷换设备的框架上。在空冷器联箱端设检修和操作平台；如双数管程时，入口与出口同在一端则只需在一端设平台；若单数管程则应该设两端平台。一般从空冷器出来的流体尚需经后冷却器或回流罐。因此，空冷器的安装高度必须满足流体靠重力自流流动的需要。一般塔顶空冷器直接布置在塔顶上，可作为冷凝器使用。

空冷器的布置还与风向有关，夏季，在空冷器的上风侧不应有高温设备；斜顶式空冷器不应把通风面对着夏季的主导风向。多组空冷器应相互靠近，以免造成热风循环。为防止热空气循环，空冷器的标准布置有以下几种：

（1）多组空冷器应排列在一起，以免造成热风循环，否则两组空冷器距离应大于20米。

（2）空冷器应布置在装置的上风侧，以免腐蚀性气体或热风进入管束，影响冷却效果。

（3）引风式空冷器与鼓风式空冷器布置在一起时，其管束高度不得一致，应将鼓风式空冷器管束提高。

（4）引风式空冷器与鼓风式空冷器布置在一起时，应将引风式空冷器布置在鼓风式空冷器的上风侧，以免热风再循环。

（5）在主导风向侧两组空冷器应靠近布置，不应留有间距。

1.2 空冷器布置的其他要求

（1）空冷器不得放置在易燃液体（操作温度高于300℃）的设备上方，否则应采取隔离措施。

（2）空冷器与加热炉的距离，空冷器与分站、配电室、控制室等构筑物的距离，必须符合《石油化工企业消防设计规范》的规定。

（3）空冷器不能设置在温度等于或者超过自然点的热油泵上方。

2空冷器的管道布置

2.1 空冷器管道设计的基本原则

（1）管道布置设计除必须符合工艺管道和仪表流程图的设计要求外，配管应使空冷器冷却的流体向下流动，管道不应出现袋形。另外还应该特别注意流体的均匀分配，当同一类型的几台空冷器并联时，应使流体能从总管均匀地分配到各冷却管束，通常配管采用对称布置，避免流体走短路，也可以支管伸入集合管内各50mm之方式，以控制液体均匀分配至各支管。配管的对称布置如下图。

图3空冷器配管对称布置的要求

（2）空冷器为敏感设备，空冷器的管口不能承受过大的应力，否则容易发生泄漏。所以，配管时要考虑空冷器的固定点位置和管口热位移方向，增加管道柔性，作用在管口上的管道应力不得超过制造厂规定的受力范围。如超过时，可将入口管按图4设计，以增加管道的柔性，降低管道应力。

图4空冷器入口管道布置

图 5 空冷器典型配管图

2.2 空冷器配管的其他要求

（1）配管时应不妨碍管箱堵头的拆卸和对冷却管的清扫或检修。管道布置应合理规划，并避免与钢结构柱间的斜撑构件，平台梯子，梁柱及管道支架等相碰。

（2）湿式空冷器要注意冷却管束的标高，管道拐弯不宜过多，应有顺介质流向的坡度，必须能保证冷凝液自流入回流罐内。

（3）如空冷器用于冷却分馏塔顶的气体时，塔顶与空冷器入口之间管道应避免形成液袋。空冷器入口的水平管道在必要时可增设排液口，以免大量液体进入空冷器内。

（4）当空冷器进出口无阀门或为两相流时，管道必须对称布置，以保证液体和气体均匀地分布到每个管束，使各片空冷器流量均匀。为使入口集合管内的流体分配均匀，每根支管可从下面插入入口集合管内，提高液面溢流。

（5）空冷器的入口集合管应靠近空冷器管口连接，如因应力或安装需要，出口集合管可不靠近管口连接，集合管的截面积应大于分支管截面积之和，以1.5倍为宜。

（6）空冷器入口管道较高，如距离较长，需在中间设置专门管架以支撑管道。

（7）在空冷器管箱端（一端或两端）应设检修平台，其位置应便于检修，又不影响配管。电动机检修平台，如由制造厂供货时，收到制造厂的资料后需校核平台下面管道是否有足够的净空。以便布置进出管廊的管道及方便安装焊接。同时核对平台上面电动机周围人行通道的宽度和净高以及检修空间是否满足需要。

3 空冷器管道应力计算及支架选型

空冷器的管口不能承受过大的应力，为提高空冷器管道的安全性，工程设计中空冷器的入口管道需进行应力分析，以便进行合理的管道布置。根据应力分析计算出来的管口应力不得超过制造商规定的应力范围，如果厂家未提供管口应力值，管口应力可按API661规定值的两倍计算。空冷器的入口管道比出口出口管道温度高，其膨胀量也更大，随着管道的膨胀，管束在构架上并不固定可有小量的移动。石油化工行业常用CAESAR Ⅱ软件进行应力分析计算。下面以一个工程项目实例来浅谈一下空冷器入口管道的应力分析及管道布置。

（1）管道基本数据：本项目总共有两台空冷器，都是两进两出，管道内的介质为液态树脂，介质密度为650kg/m3。以空冷器的入口管道为例，正常操作工况空冷器入口温度为60℃，入口压力为1.2MPa；设计工况空冷器入口温度为120℃，入口压力为1.38MPa。空冷器入口管道材质为SUS321不锈钢，腐蚀余量为1.6mm，保温层厚度为60mm。

（2）管道元件参数：空冷器入口管道从地面层换热器上来，总管管径为DN150，按图3空冷器配管对称布置的要求，入口总管分成2个DN100的支管，每台空冷器入口管道DN100再分成2个DN80的支管进入空冷器。两台空冷器入口总管DN150最后被分成了4个DN80的入口支管。空冷器入口没有设置阀门。

（3）管道及设备建模：建模时需按图1 空冷器的布置中将每个空冷器两端

轴向设置为固定，轴向限位间隙为6mm；DN100支管底部设承重支架，如图6。依次输入各个工况的参数，建立管道应力计算模型。为增加管道的柔性，吸收管道位移，减少管口应力，空冷器入口DN80支管需增加两个弯头和一端直管段，但受空间安装位置的影响，增加的直管段不会太长。

图 6 空冷器入口管道建模图

（4）应力计算结果：经CAESAR Ⅱ软件计算，正常操作工况下一次应力校核通过，最大为24.3%，二次应力也校核通过，最大为13.6%，空冷器管口受力见图7。设计工况下一次应力校核通过，最大为25.3%，二次应力也校核通过，最大为12.7%。

     结论：增加弯头和直管段，可使一次和二次应力减小，校核通过，管口的应力和力矩也能满足API661规定值的两倍。

（5）管口法兰校核：应用CAESAR Ⅱ软件对空冷器入口管道进行法兰泄露校核，所得结果均通过，所有管口法兰均无泄漏，所以此管道布置安全合理。

结语

空冷器作为石油化工工程设计中常用的敏感设备，进出口管道必须要进行应力分析计算，才能保证以后装置的安全运行。空冷器的入口集合管应靠近空冷器管口连接，但是工程设计中如果应力计算无法校核通过，也可通过本文中的方式使集合管适当远离布置，通过增加直管段和弯头，改变管道走向可改善管道柔性，减小管口应力。应用CAESAR Ⅱ软件建立模型时，应注意各个工况的参数输入，空冷器设备的参数输入，准确且符合工程实际。计算结果还应校核一次、二次应力是否满足要求，管口法兰还需进行法兰泄露校核。

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