叶 源

(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料部， 200540)

吴 勇

(华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237)

聚乙烯装置工业高压管线设计及应力分析

叶 源

(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料部， 200540)

吴 勇

(华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237)

某聚乙烯生产装置长期在高温、高压条件下服役，为保证该管线安全高效运行，从理论计算入手，同时采用国际公认的管道应力分析软件CAESARⅡ对管线进行应力分析，为高压管线的设计提供整体结构强度依据。

聚乙烯 高压管线 应力分析 CAESAR

随着石油化工的发展，聚乙烯生产得到迅速发展，其生产方法有高压法、低压法和中压法3种。某石化公司高压聚乙烯装置(简称1PE装置)于1976年建成投产，采用日本三菱油化－德国BASF超高压管式“E”法工艺技术，后经两次增量改造，在无大检修情况时，产量90 kt/a，该装置是目前国内同类装置中服役时间最长的［1］。由于管道材料在高温、高压下长期工作，为保证该管线长期稳定、安全高效运行，对该管道进行理论计算与应力分析。文章主要分析管道组成件中管子的设计计算，并采用CAESAR软件对管道系统进行应力分析，包括管道组成件的设计计算和管系柔性分析等多项内容。

1 管线的理论计算

该1PE装置管道的设计压力P=35 MPa，设计温度T=350℃，管内介质为乙烯气，集管外径Dw1=89 mm，支管外径Dw2=60 mm。管道材料选用16Mn，在设计温度下的许用应力［σ］t=133 MPa［2］。

高压管道在只承受内压作用，且当δ0＜Dw/6时，其直管的计算厚度δ0可按式(1)计算:

设计厚度为计算厚度与厚度附加量(C)之和，厚度附加量包含腐蚀、冲蚀裕量(C2，取3 mm)和机械加工深度(C3，取 0．5 mm)［3］，即:

经计算得，集管的设计厚度δ01=14.10 mm，支管的设计厚度 δ02=10.64 mm。按《GB/T 17395—2008无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》规定，集管壁厚取16 mm、支管壁厚取12 mm即可。每个管道系统还应进行压力试验以保证其承压强度和密封性，因此在初次运行前还需进行水压试验。

2 高压管道系统应力分析

管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支撑或端点附加位移造成应力强度问题。管道应力分析主要验算管道在内压、持续外载作用下的一次应力和由于热胀、冷缩及其他位移受约束产生的二次应力，以判明所计算的管道是否安全、经济、合理;计算管道由于热胀、冷缩及其他位移受约束和持续外载作用产生的对设备的推力和力矩，以判明是否在设备所能安全承受的范围之内。

一次应力(SUS)是指由机械外载荷引起的正应力和剪应力，它必须满足外部和内部的力和力矩的平衡法则。一次应力具有非自限性，它始终随所加载荷的增加而增加，超过材料的屈服极限或持久极限时，将使管道发生塑性破坏或总体变形，因此在管系的应力分析中，首先应使一次应力满足许用应力值。二次应力(EXP)是指由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力，它本身不直接与外力平衡。二次应力是自限性的，当局部屈服和产生少量塑性变形时，通过变形协调就能使应力降低。管道内二次应力通常是由于位移载荷引起的(如热膨胀、附加位移、安装误差、振动等)。

本设计采用专业管道应力分析软件CAESARⅡ，它是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，可以用于分析大型管系、钢结构、或者二者结合的模型，广泛地应用于石油、石化、化工、电力、钢铁等行业。CAESARⅡ既能够进行静应力分析也能进行动应力分析;它不但可以根据ASME B31系列以及其他国际标准进行应力校核，还可以按照WRC、API、NEMA标准进行静设备和动设备的受力校核［4］。

2.1 管道计算模型

计算管道的几何模型如图1和图2。其中主(集)管尺寸为Ф89 mm×16 mm，支管尺寸为Ф60 mm×12 mm。根据设计方案，对计算管路出口端(连接高压循环气体分离器)进行了简化处理，用一段长2 m的管子代替出口管路对计算管路的影响。整个计算模型中还包括以下管件:DN80带颈法兰2只、DN80法兰盖1只、DN50带颈法兰6只、阀门3只、DN50螺纹法兰3只。

图1 计算管道模型(俯视图)

图2 计算管道模型(左视图)

2.2 节点及单元编号

对上述模型建模的过程中，须对整体划分单元和节点，单元编号由程序根据节点的输入顺序自动完成。节点的编号须人工指定，具体编号见图3。

图3 模型节点编号

2.3 计算参数及边界条件

管路设计压力35 MPa，设计温度350℃;由于介质为乙烯气，且管子内径不大，所以忽略介质的重力;根据实际工况，不考虑保温和动载荷等。如上述模型图所示，根据实际条件进行简化施加边界条件。对于支管段与设备法兰连接的螺纹法兰端，即节点460、560、660三处施加固定约束;对阀门(单元 420－430、520－530、620－630)施加Y 以及导向(Guide，Gap=5.0 mm，Mu=0.3)的约束，在集管的出口法兰端(节点900)处施加+Y和+X约束;对管道的末端施加固定约束。

2.4 计算结果及分析

一次应力工况为SUS，应力云图见图 4;二次应力工况为EXP，应力云图见图5。

查看应力分析报告可知，410节点的一次应力值最大，为38.87 MPa，16Mn材料在350℃下的许用应力为133.00 MPa;900节点二次应力值最大，为 94.01 MPa，许用应力为 381.26 MPa。900节点处在操作工况(OPE)下X向约束反力最大，Fx=16 602 N，Fy=0 N，合力 F=16 602 N。三个阀门支座Y方向上的反力最大为4 372 N。操作工况下，节点500的X向位移取得最大值，为5.805 mm;节点800的Y向位移取得最大值，为1.812 mm;节点699的Z向位移取得最大值，为1.686 mm;节点500的总体位移取得最大值，为6.040 mm。显然，这都满足设计要求和安全的。

图4 一次应力云图(按应力值划分)

图5 二次应力云图(按应力值划分)

3 结束语

(1)在压力管道的设计中，管道壁厚十分关键，它会影响管系应力分布、施工等多个环节，因此要合理选择，不能太薄，也不能太厚。

(2)管道应力分析可以辅助压力管道布置设计，使分析结果满足标准规范的要求，从而保证管道自身和与其相连的机器、设备等的安全，在压力管道设计中起着重要作用。

(3)该高压管路的设计满足应力强度要求，也是安全可行的。

［1］ 郭文．高压聚乙烯在役老装置高能耗原因分析及对策［J］．石油化工技术与经济，2011，27(3):49－53．

［2］ 中华人民共和国国家标准．GB/T 20801．2—2006压力管道规范工业管道(第2部分):材料［S］．北京:中国标准出版社，2006．

［3］ 中华人民共和国国家标准．GB/T 20801．3—2006压力管道规范工业管道(第3部分):设计和计算［S］．北京:中国标准出版社，2006．

［4］ 唐永进．压力管道应力分析［M］．北京:中国石化出版社，2003．

Design of Industrial High－Pressure Pipeline for PE Plant and its Stress Analysis

Ye Yuan
(Plastics Pivision，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)
Wu Yong
(School of Mechanical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237)

A PE plant has long been in service in conditions of high temperature and high pressure．In order to ensure the safe and high － efficient operation of pipelines，stress on the pipeline was analyzed based on theoretical calculation and with internationally recognized pipeline stress analysis software CAESAR II，so as to provide basis of integrated structure strength for design of high－pressure pipeline．

PE，high － pressure pipeline，stress analysis，CAESAR

1674－1099 (2012)05－0031－03

TU279.7+6

A

2012-07-31。

叶源，男，1976年出生，毕业于上海大学机械电子工程专业，工程师，现从事设备管理工作。