第５５卷 ４ ｌ９Ｊ ２０１８ ８川 化工设备与管适 Ｖｏ１．５５ ＮＯ．４ Ａｕｇ．２０Ｉ ８ ＰＲＯＣＥＳＳ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＰＩＰＩＮＧ 激冷水过滤器出口管道应力分析及设计优化 刘雪盼，霍金颖，李洁，李航 （航犬｝∈ 化 Ｉ 股份有 公·ｄ，北京 １０１ Ｉ Ｉ Ｉ） 摘 要：针对某粉煤气化装置激冷水过滤器出口管道二次应力过大的问题，利用ＣＡＥＳＡＲ Ｉ１软件进行 了应力分析和设计优化。结果证明，设备及管口本身的柔性可以显著地降低管道的二 欠应力水平，因 此对于应力敏感设备的应力计算，建立；位确的计算模型，可以提高计算精度，从而有效地指导Ｘ－．程设 计优化。 关键词：激冷水过滤嚣；应力分析：设计优化 中图分类号：ＴＱ ０５５．８’ｌ；ＴＨ】２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３２８１（２０Ｉ ８）０４—００８１—００４ 力、 …。力、风、地 、压力脉动、冲 等外 力倚载干¨热膨胀的 存，足符道产生应力问题的主要 １ ：道 分析 ｆ‘ 足管道没计的 础，它 ｆ歹 管道 符 ｌ 倚裁作』｝ｊ卜Ｊ ：， 的歹］、 Ｊ 干【１ Ｊ、 ］， 从…作Ｈ Ｈ 竹道安全 ＦＩ：－ＶＪ 价，使没计的僻道尽可 能经济合州 。 中，热膨胀川题是管道 解决的山 ；’ 币ｌｌ最主 的Ｍ题…。 分析所 航＿人粉煤ＪＪｌ】 ，化技术的气化炉采川水激冷流 中携 图１ 激冷水管道的简化流程图 Ｆｉｇ．１ Ｓｉｍｐｌｉｉｅｄ ｆｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｐｉｐｅ 反 事广：，ｔ－．ｌｆｇＮ合成 门 进入激冷 ， 的人多数 粒被洗涤进入＿ｒ水里，同，，ｂＦｔ【合成气 也被水冷却、饱和后离开 化炉进入合成 洗涤塔 ｌ。 为ｒ补允ｉｔｔ Ｊ：合成气带走ｆｌ＇，ｊ，￣ｌｌ 化如 ｑ－ｔｈｑ￣的水，系统 通过激冷水 从合成气洗涤塔抽…激冷水， 激冷水 过滤 ，送 气化炉，激冷水管道的简化流程如 表１管道规格表 Ｔｌａｂｌｅ ｌ Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｔａｂｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｐｅ １所爪。激冷水过滤 的没 ，【】『有效地防止装置运 管径／ｍｍ ＤＮ ２５０ 壁厚／ｍｍ １８．２６ 材质 ２０＃ 保温材料 厚度／ｍｍ 商渝玻璃棉 １００ 过 黑水符道ｔｆ—Ｊ机生的垢片堵塞气化炉ｌ大Ｊ件，是保 障 化炉 奠个＝ＫⅧ期运行的父键设备之 。 １ 激冷水过滤器出口管道 …激冷水过滤器的岛 Ａ、高Ｊ 黑水僻道沿旧 谴 汁算模 ｌ盘Ｉ１ ２所示。没ｆｆ｝竹『１的例始ｆ ｆ｛； 太２。 运行上述汁 模， 后发现，激冷水过滤 …Ｉ Ｉ 至气化炉的管道通过没 ，个均 的竹『１进入 化炉，僻道内介质的操作温度 ２１０℃，操作 力（Ｇ）４．２ ＭＰａ：过滤器¨１【】管道规 格见表１。 弯ｌ剥１合 的『ｌｊ 变弹簧楚ｍ 奠装 能够保证管道Ｊ 行较好的柔 ｆＩ 定 ，ｌ 技操ｆ１：Ｉ 况下的符竹ｎ受力情况 太３。 收稿日期：２０１ ８－０１．２９ ２应力计算模型及计算结果分析 根 以 条什埂管道轴；！Ｊ！ｌｊ ，住ＣＡＥＳＡＲⅡ中 作者简介：刘 盼（１ ９８３一），刃，川训ＪＩＪ，砸 道设计歧 ，Ｊ分析１－ｆｌ‘ 从川Ｊ Ｊ 化工设备与管道 ５５卷第４期 表２设备管口初始位移 Ｔａｂｌｅ ２ Ｉｎｉｔｉａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｎｏｚｚｌｅｓ 竹门 过滤器Ａ 过滤器Ｂ △ ０ ０ ， ５．４ ５．４ △ｚ ０ ０ 气化炉ａ 气化炉ｂ 气化炉Ｃ 气化炉ｄ ０ ５．０３ ０ 一５．０３ ３．５ ３．５ ３．５ ３．５ ５．０３ ０ —５．０３ ０ 呵 ，气化炉的僻『Ｉ在安装和操作Ｉ 况下，其 受力都低于ＨＧ／Ｔ ２０６４５．５中规定的静设备管口许用 载简 ｌ，能够保证设箭管ｎ的运行安全。但激冷水过 滤 管【ｌ１受力状况较蓐，丰要 现是两设备操作 况 下任 向的力矩分别达刮一２５ ９５２ Ｎ·ｍ干¨１８ ３５６ Ｎ·ｍ， ｍ ｒ ＨＧ／Ｔ ２０６４５．５规定的许用荷载值 】。表明激 图２初始应力计算模型 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｓｔｒｅｓｓ 表３初始设计方案设备管口受力和力矩 Ｔａｂｌｅ ３ Ｎｏｚｚｌｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｄｅｓｉｇｎ 管口 ／Ｎ ／Ｎ ／Ｎ Ｍｘ／（Ｎ ｍ） 帆／（Ｎ‘ｍ） Ｍ，／（Ｎ‘ｍ） 安装／操作 ５０／一５５７ —安装／操作 —１ ３８０／－８４ ３ ００７／一ｌ５ ９３２ 一ｌ ２７５，一２ ５ｌ２ 安装／操作 —６７／一１０ ｌ２ｌ １ ４９６／９ ３２３ ｌ２５／一２２２ 安装／操作 ２２８／－２５ ９５２ ２ ０４Ｉ／ｌ８ ３５６ ５ｌ３／ｌ ０６０ 安装／操作 —７０２／一２ ３３２ 一ｌ ５７９／一４ ７５７ —９６／６６３ 安装／操作 １ １Ｏ０／４ ９２０ ４ Ｏ８ｌ／ｌ６ ６２２ —９，１ ４９０ 激冷水过滤器Ａ 激冷水过滤器Ｂ 气化炉ａ 气化炉ｂ ７５４／一５ ３０１ ｌ７４／ｌ ６７９ ９４／１ ９０４ ２７０／２ １５７ ９Ｏ／ｌ１ ８ —６６６／ｌ ９５３ —１ ７９４，９６６ —１ ８０２／一２ ７８８ —１０３／一２ ９０９ ２６／一ｌ ６７２ 一】７ｌ／一Ｉ ８２８ ２／一５７５ —７ｌ３／２ ２１６ ９５／ｌ ６３５ ９２／１ ９３５ 一ｌ７２／一ｌ ５２１ 一ｌ０３／一７３８ —２】２／２ ６５２ ３０／一８１８ ７４９／８９８ 气化炉ｃ 气化炉ｄ 冷水过滤器 ｒｊ管道｛｛｝＝ 柔性小足，无法有效吸收 管道操作ｌ 况下过滤器ｆ¨ｆ］联通管道的热位移，较大 １｝乏）。可见，由于在Ａ套设备 【１增力ｕ ７ｃ弯，使两激 冷水过滤＿器 ｆ］ 值均有所降低。 这种没汁方案， 主要增加了设备ＩＬ｝Ｉ几沿１，向管道的柔性，闪此对管【＿ｌ１ 向力矩的改善程度有限。 ３．２常规优化设计方案二 基于方案一，改变兀弯止向，以增加管道ｆ｝｝＝向 的柔性，建— 汁算模型女Ｉ ４所爪，汁 过程保 １的管广『受力对设备的长周期安个运行构成了隐患。 为解决 述问题， Ｉ 程设计中一般会通过改变 管道止向，增加管道柔性的力 法来降低二次应力水 ，从而保证设备钤【１的受力发今。 ３常规优化设计方案 ３．１ 常规优化设计方案一 持各设锵管ｎ初始位移不变。 发裟状态和操作状态 下激冷水过滤器管【＿］受力情 农５。 · ，¨１于管道 保持气化炉管【１附近管道 置方式不变，通过 激冷水过滤器 【１管道卜‘ｊ曾加Ⅱ弯来增大管道柔 ，沿：向柔性的增加，在操作１ Ｆ，使得Ｉ从ｊ设备之川 联通管道受热膨胀后能够被僻道ｎ身的柔性仃效吸 从而降低设备僻『Ｉ二次心力水平，建 应力汁 收，没箭管 力矩 降低到卡ＪＪ始汁算力‘案的ｌ／２左 右，埘保障没备的长周期安伞运ｉ 起刽私！檄的作用。 ｌ 述两种优化设计方案，邯址 不改变ｉ＿殳备管 算馍） 如『殳】３所示，汁算过程保持各设备管口初始 位移值不变。其安装币¨操作 况下激冷水过滤器管 Ｉ Ｊ受力情见 ４（气化炉管¨受力变化不大，小再列 ¨初始位移条件的前提下，通过增）ｌｌＩ竹道秉性求降低 ２Ｏｌ８年８月 刘雪盼，等．激冷水过滤器出口管道应力分析及设计优化 ８３ 臀ｆ Ｉ二次Ｊ、 水半的，Ｈ．第￣ｒ０１，力。窠 了 能够 如 地 改淳设矫…Ｉ＿Ｊ管道ｆ｝｝＝向的柔忡，从 ＊：改善Ｊ 没 箭僻ｎ的■次Ｊ、 ／ｆＪ状况，是 优的力‘案。ｆ『『足这闪种 ： 力‘案肯Ｉ５仔 下述问题：（１）管【１ｆ 平ｊ；边 条件 ‘Ｉ 。 不够精确，不能准备地模拟管¨的热幢 Ｊ状态：（２） 没箭ＨＪｒ１管道没 ７ｃ弯会增『Ｊ【１投资赞川，尤 对＿】 ． 些建设在寒冷地 的Ｊ。『闭式怔架，Ⅱ巧会 接穿过ｆ 温墙，埘装簧施Ｉ 造成影响， 时也不符合管道没汁 齐荚观的要求。 ４优化设计方案 人 图３常规优化设计方案一 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ １ 坫于 述原因，刈‘汁箅模缉４进 优化 汁，以 使模， 能 准确地模拟符道的受 情况，建模力‘ 为：（１）取消 方案中定义没备管¨热化移的边 条 表４常规优化设计方案一设备管口受力和力矩 Ｔａｂｌｅ ４ Ｎｏｚｚｌｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅｓ ｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ １ 竹ｒＩ 过滤器Ａ 过滤器Ｂ Ｆ ？ Ｎ 安装／操作 １ ００６／２７８ ２１２／４ ８１ ８ Ｆ ／Ｎ 安装／操作 一ｌ２ ５２５／－１０ ７７０ ３ ３９１／一１４ ５４５ Ｆ，／Ｎ 安装／操作 ４８５／－５ ７４ｌ ２ ６０９／５ １ １０ ＭＪｔＮ‘ｍ 安装／操作 Ｍ Ｎ ｍ） 安装／操作 １ ５５８／一１ ９７６ ４ ５８４／８ ３３３ Ｍ Ｎ ｍ１ 安装／操作 ４ ７７９／４ ６３９ ７６０／一１ｌ ２０３ 一３０１／一Ｉ６ ４０２ —１ ２６５／５ ３９９ 什，改为刈’激冷水过滤器进行 箭建摸；（２） 没 建模过程巾运用ＣＡＥＳＡＲ丌软件的ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ模块刈‘ 设箭底部的角钠支腿进行建模。 边 条什定义 ： 支座底部设置㈨定约束ＡＮＣ。支 ｒｊ设备简 通过ｃｎｏｄｅ功能没置 定约求ＡＮＣ。建 ：Ｊ 力汁钟： 模， 如 ５昕示。其安装状态和操作状态下激冷水过 滤 管门受力情况见 ６。 Ｉ ｆ见，住模 － 、Ｊ没箭进行业懊ｆｆ‘算后，【！ＩＪ他 设备ｆ¨¨不没咒Ⅱ弯，激冷水过滤器管【］的 向心 水甲仍较低，能够满足没备发伞运ｉ 的婴求，ｆ＿Ｉ＿ｊ 他力‘ｍ Ｌ的管¨受力也变化小大。操作Ｉ 况 激冷 水过滤器管¨除产生一个＿｝ｆ｝＋ 的位移外，…丁ｉ 箭史腿，简体技箭¨小身的 图４常规优化设计方案二 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ２ 一波 管ｌ １分别 著降低＇ｒ ＝力‘向ｌ Ｊ ：，卜一个小ＩＩＪｆｌｉ的化侈，从 竹¨的二次 力水平。 表５常规优化设计方案二设备管口受力和力矩 Ｔａｂｌｅ ５ Ｎｏｚｚｌｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ２ 铃：［１ Ｆ，／Ｎ Ｆ ／Ｎ Ｆ ／Ｎ ／（Ｎ·ｍ） ／（Ｎ－ｍ） Ｍ ／（Ｎ·ｍ） 安装／操作 一８７／一７２２ 一７２４／一５ １８４ 安装／操作 —９ ６８４／一９ １５６ ３ ２２１／－１３ ７８２ 安装／操作 ３７１／－３ ４０２ １ １２４／２ ８１ ５ 安装／操作 ５６７／－１０ ８８１ ９７６／８ ０２６ 安装／操作 —８８３／８２７ —１ ８５２／一８ ０９８ 安装／操作 ４８／３ ３９８ ２ ９２４／ｌ４ ５３０ 过滤器Ａ 过滤器Ｂ 化工设备与管道 第５５卷第４期 ５结论 管道的二次应力是南于热胀、冷缩、端点位移 等位移载荷的作用所产生的应力，它不直接与外力平 衡， 是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续 要求所必须的应力。其特点是具有自限性，即局部ＪＨｊ 服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连 续要求得到满足，从而变形不再继续扩大 】。通过改 变管道走向增加管道柔性可以降低管道对设备管ｒ．Ｉ 的推力和力矩，但同时也增加了管件数量和管道长 度，增加了投资费用。 在对二次应力敏感管道进行 力计算的过程中， 应首选对计算模 进行精确建模，充分考虑设备及结 构本身的柔性对管道二次应力的影响，叮以避免肓日 图５优化设计方案 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ 地设置７【弯，这样既节省投资，又可以避免管道过分 表６优化设计方案设备管口受力和力矩 ＴｒＬｂｌｅ ６ Ｎｏｚｚｌｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ 管口 过滤器Ａ 过滤器Ｂ Ｆ ？Ｎ Ｆ ／Ｎ ／Ｎ ／（Ｎ‘ｒｒ１） ／（Ｎ·ｍ） ／（Ｎ·ｍ） 安装／操作 ２４９／１７ｌ ｌ２９／４５４ 安装／操作 一２０ ｌｌ３／一９３５ ｌ９４／ｌ５ １２９ 一安装／操作 ７１６／一４ ｌ６６ 一安装／操作 ５８３／一８ ３７０ ３／一１】９８４ 安装／操作 ２５９／一１ ６Ｏ１ —１ｌ７／７８６ 安装／操作 ｌ５４／８ ６５３ ５ｌ１／一４ ９５３ 一ｌ２５／一５ ６８８ 柔软，造成管道振动，是比较合理的优化设计方案。 ［３］ ２００３，３２（３）：ｌ】 ７一Ｉ１９． 姜从斌，刘晓军，葛超伟．ＨＴ＿Ｌ航天粉煤加压气化装置运 行情况【Ｊ］．化Ｉ：设计通讯，２ＯＩｌ，３７（４）：２４—２５ 参考文献 庸永进． 力臂道应力的内容及特点［Ｊ１．石油化Ｔ设’十 ２００８．２５（２）：２０—２４ 【４］ ［５］ ＨＧ／Ｔ ２０６４５．５—１９９８，化１ 装置管道机械设计技术规定【ｓ】． 唐永进． 力管道应力分析［Ｍ］．』匕京： ｝ＪＩ司石化 版｝ｆ ， ２０１０：５１ ＪＪ．辽宁化工 【２１ ｉ１：史欣，张强．化工没计中的管道应力分析［Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｏｕｔｌｅｔ Ｐｉｐｅ ｉｎ Ｃｈｉｌｌｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ Ｌｉｕ Ｘｕｅｐａｎ，Ｈｕｏ Ｊｉｎｙｉｎｇ，Ｌｉ Ｊｉｅ，Ｌｉ Ｈａｎｇ （Ｃｈａｎｇｚｈｅｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．Ｌ以Ｂｅ（／ｉｎｇ １０１ １ １ １．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｌａｒｇｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｅｓｓ ｅｘｉｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｉｐｉｎｇ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｌｅｔ ｏｆ ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ｉｎ ｐｏｗｄｅｒ ｃｏｌｄ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＣＥＡＳＡＲ Ｉ１．Ｉｔ ｗａｓ ｓｈｏｗｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｅｓｓ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ ｆｒｏｍ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｔｓｅｌｆ ａｎｄ ｎｏｚｚｌｅ．Ｔｈｕｓ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｓｔｒｅｓｓｅｓ，ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ；ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
