空气冷却器管箱的应力分析

LNG液化冷箱内低温管道应力分析【摘要】基于管道有限元基本理论，结合LNG液化冷箱内管道应力分析的实例，根据相关规范，分析了包括自重、冷缩、地震及风载作用在内的低温管道存在的荷载作用，并结合实际的荷载工况组合，对管道系统进行了安全性评定，并给出对该类管道系统进行应力分析可采取的切实可行的建议。

【关键词】管道应力分析；有限元；荷载组合1.前言近几年我国液化天然气（LNG）装置发展突飞猛进，作为液化冷箱在整个装置中起到至关重要的作用，而液化冷箱中低温管道的正确应力分析，是确保整个装置处于安全使用的一项关键设计环节。

本文依据《ASME31.3工艺管道设计规范》、《GB/T 20801.3-2006工业管道—设计规范》，利用CAESARⅡ有限元软件对该液化冷箱低温管道应力分析，下面进行阐述说明：液化冷箱主要构成部分：（1）冷箱框架；（2）珠光砂；（3）板翅换热器；（4）分离罐；（5）管道；（6）道支吊架。

下面进行管道分析，管道静力分析需要完成下列任务：（1）计算管道中的应力并使之满足标准规范的要求，保证管道的自身的安全。

（2）计算管道对与其相连设备的作用力，并使之满足标准规范的要求，保证设备的安全。

（3）计算管道对支吊架的作用力，为支吊架的设计提供依据，保证支吊架的安全。

（4）计算管道的位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据。

在板翅换热器支架以上的各管道为常温管道，所以只考虑一次应力即可，在直径较大的管道上可采用支吊架防止一次应力超标，本文对此类管道就不在加以说明。

在冷箱内比较重要的管道为低温管道，他不但承受一次应力，还承受二次应力。

管道在-162℃温度下要产生冷缩，二次应力比较大，所以管道要有足够柔性。

以管道Ⅰ为例：LMR-4100-100-F3 管道直径；?120X10，压力：2.5Mpa（G）温度：-162℃材质：铝合金5083节点40—节点600为Y轴节点50—节点30为Z轴节点50—节点60为X轴在工作温度为-162℃下，冷箱内设备都产生冷缩，节点600与分离罐管嘴相连，经计算，节点600在Y轴方向位移5mm。

科学技术创新2020.18浅析空冷器管束设计、制造、检验技术高少平（大庆石油化工机械厂有限公司，黑龙江大庆163000）由于空气冷却器是以环境空气作为冷却介质，横掠翅片管外，使管内高温工艺流体得到冷却或冷凝的设备。

它由许多零部件构成，但其中最主要的几个部分是：管束、风机、构架以及百叶窗，管束作为检验空冷器性能的主要部件，其质量的高低直接影响着空冷器换热能力也就是空冷器的冷却效果，因此必须要做好空冷器管束的设计、制造以及检验工作。

1空冷器管束设计技术1.1翅片管的类型选择在空冷器当中，翅片管是最主要的换热元件，因此在设计空冷器管束的结构前，首先就要确定好翅片管的结构类型，而这需要根据使用者对空冷器的具体要求来决定。

当前存在于市面上的翅片管类型有很多，常用的有L 型绕片型翅片管、LL 型绕片型翅片管、镶嵌式翅片管、双金属轧片式翅片管等。

这些翅片管在使用时都有一些注意事项，例如L 型绕片型翅片管不能应用在湿式空冷器当中，由于湿式空冷器内部的空气水含量较多，可能从翅片根部缝隙对换热管产生腐蚀，从而使换热管产生泄漏，进而影响使用；而双金属轧片式翅片管是由铝管与换热管套轧构成，换热管整体紧密地包裹在套轧管内，翅片不会产生松弛，这样就有效的避免了腐蚀的问题，但是其造价相对较高。

因此在选用翅片管时必须要根据实际的需求来选择。

1.2翅片管支撑的结构设计在空冷器当中，是通过排布多个翅片管来实现对空气中热量的交换，因此为了使翅片管之间的位置稳定，通常情况下会使用波纹板等对翅片管进行支撑。

在整个管束的结构中，最主要的影响因素就是翅片管因空气的流动而产生的振动，长期的振动会降低翅片管支撑的结构稳定性，从而使其失效，因此常见的解决方法是将受空气流动影响最大的空气进出口处的翅片管支撑进行固定，这样就会降低整体的振幅，从而减轻振动带来的影响。

再一个问题就是翅片管的受力问题，翅片管支撑在长时间工作后容易产生或多或少的变形，这样就会使翅片管得不到有效支撑，其解决方法是通过将翅片管的支撑结构焊接在管束横梁上，从而增强其结构的稳定性。

空冷管束腐蚀原因分析及使用维护摘要：空气冷却器作为应用于石油化工行业一种换热设备，常用于高温、高压、高腐蚀工况状态下，直接影响设备安稳运转，腐蚀率是评定金属耐腐蚀功能的重要指标。

金属在遭受腐蚀过程中，组织结构、外形尺寸、外表状态、力学功能等均会发生一些改变。

对腐蚀类型进行剖析并监测速率，提出保护措施，延长产品使用寿命。

关键词：管束；腐蚀；氯离子；监测；维护1问题概述空冷器主要由管束、管箱、风机、百叶窗和构架等主要部分组成。

某重整装置脱戊烷塔塔顶空冷器，管程介质为戊烷及液化气，入口温度90℃，出口温度46℃，工作压力1.06MPa。

装置设备人员对空冷巡检检查，发现空冷管箱中部出现结霜现象，使用气体检测仪对空冷检测发现报警仪可燃气超标确认空冷管束泄漏(图1）。

装置启动了管束泄漏问题的调查，对根本原因进行识别。

调依据SHEM10（根原因分析管理程序）的要求，组织相关人员按时完成结论分析。

图1 空冷管束腐蚀泄漏点2原因分析2.1工艺原因低温冻涨，检查DCS数据，空冷冷后温度稳定在47℃左右，现场每班空冷偏流检查没有发现偏流迹象。

目前不具备拆除空冷管束检查确认条件，待大检修时拆下空冷管束进一步排查确定。

腐蚀减薄，大检修周期的延长，加上重整催化剂运行到末期，催化剂持氯能力下降，为了保持催化剂活性，提高反应系统注氯量，目前使用的进口脱氯剂，可以保证脱戊烷塔进料氯含量<1ppm，微量的氯在空冷管束内形成一定量的铵盐，造成物料流速降低，物料中的微量水与铵盐形成酸性环境，引发管束局部腐蚀穿孔泄漏。

空冷出口管线三通处曾经出现过腐蚀泄漏，对泄漏部位进行卡具补强，至本次泄漏前未发生管束泄漏。

腐蚀减薄。

经查询在线腐蚀探针于三年前出现腐蚀速率超标，最高达到5.2mm/a（指标＜0.2mm/a）。

当年更换进口脱氯剂后，腐蚀速率没有出现过超标。

因工艺隔离后无法进行工艺处理，暂时无法进行有效分析判断，大检修更换新空冷管束后进行泄漏点切割检查，确定管子泄漏的根本原因。

LNG管道应力计算与分析1 应力分析的基础知识1.1 应力分析的主要目的首先，使管道各处的应力水平处在允许的范围内，使与设备相连的管口荷载符合制造商或公认的标准规定的受力条件。

其次，计算出各约束处所受的荷载及各种工况下管道的位移。

最终，帮助技术人员对管系进行优化。

1.2 应力分析的理论材料破坏的形式主要有两类：流动破坏和断裂破坏。

强度理论相应分为两类。

一类是解释材料断裂的强度理论，包括最大拉应力理论(第一强度理论)和最大伸长线应变理论(第二强度理论)；另一类是解释材料流动破坏的强度理论，包括最大剪应力理论(第三强度理论)和形变比能理论(第四强度理论)[1、2]。

GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》是目前国内应力计算方面较权威的规范，与美国标准ASME B31.3《工艺流程管道》(Process Piping)基本等效。

我国其他有关管道应力分析的行业标准基本上参照了ASME B31《压力管道规范》系列。

ASME B31系列中各标准在应力校核条件方面存在一些差别，但总的来说这些差别是非原则性的。

从强度理论分类方面来讲，GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》与美国标准ASME B31.3《工艺流程管道》相同，均采用了最大剪应力理论。

1.3 应力的分类在应力分析领域，工程师为便于分析，人为将应力分为一次应力、二次应力、峰值应力。

在计算前假定了一定的边界条件，计算出的应力按照一定的判别条件进行分析和判断。

计算出的应力不是管道实际承受的应力，与实际工程中在管道上用应变仪测量出来的应力无任何关系。

1.3.1 一次应力一次应力是由机械外荷载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。

其特征是：一次应力是非自限性，它始终随所加荷载的增加而增加，超过材料的屈服极限或持久强度时，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。

1.3.2 二次应力二次应力是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。

空气冷却器管箱的应力分析摘要：本文主要根据力学理论对空气冷却器管箱进行分析与校核，并使用ANSYS 软件建立有限元模型并对空气冷却器管箱的管板，管束与接管进行应力分析与评估，以美国工程协会(AMES)中“应力分类的例子”与“应力类别与等效应力的极限”为基础，对管箱进行了一次和二次应力评估，通过有限元分析发现管箱出现最大应力的部位位于管板上，且结果与其他部件相同，是符合校核条件的，分析其原因,并提出减小该部位应力及位移变形的一些方法，相关结果也为该空气冷却器的设计制造提供了理论依据。

关键词：空气冷却器；管束；有限元分析；应力1模型建立及有限元分析1.1设计参数空气冷却器管箱的管束与管板通过焊接，所有焊缝均保证全焊透，全熔合，管箱结合紧密，单元相互连接。

空冷器的材料参数如表1所示。

1.2网格划分有限元模型采用六面体185单元进行分析，该有限元模型共划分159,161个单元和221,302个节点。

1.3边界条件及载荷(1)边界条件对连接角下面的所有节点进行全约束。

(2)载荷最大允许工作压力(MAWP)P3：P1=1.5MPa(1)接管a/b的等效压力P2：式(2)与(3)中，D0代表接管与管束的外径，Di代表接管与管束的内径。

接管的局部载荷如表4所示。

表4接管的局部载荷2结果分析及应力评估2.1有限元分析将添加约束和载荷后的有限元模型进行求解处理，查看其等效应力得到以下结果：(1)管束的等最大等效应力位于管道与管板的连接处，这个位置处于管束与管板两个地方的交界处，是气体或液体集合最紧密的的地方，容易受到应力的影响，因此在设计制造时，需要在此处加强结构防止应力破坏。

(2)连接角的最大等效应力位于连接角上方的位置，这个位置是连接角将整个管箱装置与空气冷却器通过螺栓连接，而不是直接受压力的地方，因此此处的等效应力略小于其他位置，但受到等效应力最大处的位置也要应该值得重视。

(3)管板的最大等效应力位于管板与管束连接的地方，处于管束与管板的交界处，管束内的气体或液体流经此交界处，再经过接管，是一个转折处，因此受到管束内气体或液体的压力比较大，在设计制造时需要重点考虑管板的结构，加强管板的强度，防止受到应力破坏。

空冷器管束腐蚀原因及防护措施空冷器产品的核心设备为压力容器--管束，延长管束的使用寿命，对整个设备的运行，有至关重要的作用。

文章对空冷器管束常见腐蚀种类进行阐述说明，分析出现腐蚀现象的具体情况并提出解决方法，提出防护措施。

标签：腐蚀率；应力；腐蚀试验；防护Abstract：The core equipment of air cooler product is pressure vessel tube bundle. Prolonging the service life of tube bundle is of vital importance to the operation of the whole equipment. This paper expounds the common corrosion types of air cooler tube bundles，analyzes the concrete conditions of corrosion phenomena，puts forward the solutions and puts forward the protective measures.Keywords：corrosion rate；stress；corrosion test；protection1 概述空冷器作为一种大型换热设备，广泛应用于石油化工行业，然而对于空冷器管束经常用于高温、高压、高腐蚀工况状态下，因此对其腐性能具有较大考验，直接影响设备安全、稳定运行，因此对管束常见腐蚀类型进行分析，提出保护措施，以提高产品使用寿命。

2 空冷器管束常见腐蚀种类（1）点腐蚀，空冷器管束承压材料在含有溶解氧和危害性阴离子（主要为CL离子）的介质中，经过一定的时间后，大部分表面不发生腐蚀或腐蚀较轻，但在表面上个别点或微小区域内出现孔穴或麻点，随着时间的推移，蚀孔不断向纵深方向发展，形成小孔状腐蚀坑，即为点蚀，由于蚀点严重时可使设备穿孔，因此又称为小孔腐蚀或孔蚀。