CN111929175B - 基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法 - Google Patents

基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法。加氢空冷器管束包括物料入口部分、加氢空冷器、物料出口部分；物料入口部分包括冷换设备单元的总入口管道、一分四管路、多个调节阀；加氢空冷器包括四个并联的底部带有风机的加氢空冷器；多个加氢空冷器入口管道和出口管道装有截止阀；总入口管道连接到一分四管路的入口，一分四管路出口分别接多个支路的入口；冷换设备的各加氢空冷器进口依次通过调节阀与一分四管路出口的各支路的出口相联通。本发明方法通过对应力测试处理获得了加氢空冷器管束的失稳变形特性，适用于对加氢空冷管束失稳变形的风险预测，降低或避免加氢空冷管束的堵塞变形失效。

Description

基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法
技术领域
本发明涉及一种基于应力分析的临界特性分析技术，尤其是涉及一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法。
背景技术
石化工业是能源的基础工业，也是我国的支柱产业。在石油化工行业中，加氢换热器、空冷器等加氢空冷器管束是加氢装置中的重要组成单元，其运行可靠性关系到产品的质量控制。近年来，随着石油资源的逐步枯竭，从中东、南美、非洲进口的高硫、高氮、含氯、重质等劣质原油加工比例逐渐增加，加氢空冷器管束服役过程中出现了多种腐蚀失效引发的设备运行安全问题，例如管束变形、腐蚀泄漏、铵盐沉积、冲蚀爆管等，严重影响炼油装置甚至炼油企业的生产运行安全。因此，针对加氢空冷器管束频繁出现的腐蚀失效及管束变形现象，找出管束堵塞变形的临界特性规律，评价加氢空冷器管束的运行风险，是提升加氢冷换设备安全、稳定、长周期运行的关键技术和措施，势在必行。
为应对加氢空冷器管束普遍出现的腐蚀失效问题，目前的主要措施是采取升级管束材质以提升其抗蚀性，尽管升级材料确实能提高加氢空冷器管束，尤其是空冷器的耐腐蚀性，但不能有效克服系统运行过程中出现的管束变形，并未从根本上解决管束变形失效问题，且设备造价大大提高，部分企业无法承受。金陵石化、克拉玛依石化、扬子石化等企业的加氢换热管束、空冷管束均出现过因铵盐结晶造成管束堵塞，进而导致加氢空冷管束严重变形，严重影响设备安全生产和企业的经济效益，一旦出现爆炸泄漏事故，负面影响也很大。
国内外较多科研学者已针对加氢空冷器管束的失效开展了相关研究，从工艺、流体、控制等方面提出了相应的措施进行防腐，取得了一定成效。NACE T-8委员会、UOP公司、API学会等通过调研，分析了加氢反应流出物空冷管束的失效影响因素，确定了管内流速处于4.6～6.1m/s之间，NH4HS浓度小于8％等防控指标，但在管束堵管的风险评价，以及基于堵管风险评价基础上的加氢空冷管束设计方面仍有待于进一步深入研究。
综上所述，面对复杂流动与腐蚀环境下加氢空冷器管束的铵盐结晶沉积诱发的管束堵塞变形问题，亟需一种基于应力分析的管束堵塞变形临界特性测定方法，计算分析管束的堵塞风险，定量分析临界堵管数量，预防加氢空冷管束的变形失效，并为加氢空冷管束抗堵塞变形优化设计提供参考。
发明内容
为了克服背景技术领域中现有方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，该方法可以针对加氢空冷器管束的服役环境及结构特性，定量计算管束堵塞变形的临界堵管数，并以此为依据提供一种减轻或消除管束变形量的管束支撑数量优化方法。
为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案是：
方法采用加氢空冷器管束，加氢空冷器管束包括物料入口部分、加氢空冷器、物料出口部分；物料入口部分包括冷换设备单元的总入口管道、一分四管路、第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀和第四调节阀；加氢空冷器包括四个并联的底部带有风机的加氢空冷器，具体为第一加氢空冷器、第二加氢空冷器、第三加氢空冷器、第四加氢空冷器；第一加氢空冷器、第二加氢空冷器、第三加氢空冷器、第四加氢空冷器入口管道和出口管道均安装有截止阀；总入口管道连接到一分四管路的入口，一分四管路的四个出口分别接第一支路、第二支路、第三支路、第四支路的入口；冷换设备的各加氢空冷器进口依次通过设置在各管汇支路末端的调节阀与一分四管路出口的各支路的出口相联通。
个加氢空冷器的入口侧均设有用于安全排空处理的介质置换注入口。
各台加氢空冷器的进、出口管道分别设置两只结构相同的截止阀。
各台加氢空冷器进口管道的截止阀前相同位置布设注水器1只，一共4只注水器，每只注水器一端插入到加氢空冷器进口管线内部进行注水，另一端经调节阀汇总至四只注水器共用的注水管线，注水管线连接注水泵。
方法按照以下过程处理：
1)加氢空冷器中各管束并联布置，且截面积相等，建立以下总管束堵塞根数n与弹性模量E1t和E2t、管束长度L、管束自由变形量ΔL、并联管束总根数N、管束受压缩形变量ΔL2的并联管束关系方程，计算获得加氢空冷器中的堵塞管束根数：
Figure BDA0002607411990000021
a＝(L-ΔL)/L
b＝E1t/E2t
其中，ΔL为自由变形量，ΔL2为管束受压缩形变量，L为管束长度，N为并联管束总根数；E1t、E2t分别为冷弹性模量、温弹性模量。
对于碳钢管束，管束长度取L＝10.5m。
本发明对于加氢空冷器管束，结构为多排并联管束，不考虑重力的影响，针对加氢空冷器管束内腐蚀性多元流体介质的流动传热引发的温差产生的轴向应力形变进行实验测量处理。
2)当堵塞管束根数n＝1时，该堵塞管束所受到的轴向拉应力达到最大值σ1max，加氢空冷器中堵塞管束所受到的轴向拉力达到最大值F1max，若此时管束所受拉应力小于管束焊接许用拉脱应力，则管束与管板连接强度安全，加氢空冷器的管束不失稳，反之，则管束与管板拉脱；
当堵塞管束根数达到N-1时，流通管束所受到的轴向压应力达到最大值σ2max，加氢空冷器中流通管束所受到的轴向压力达到最大值F2max，若此时流通管束所受压应力小于管束稳定许用临界压应力，则管束变形属于弹性变形，管束不失稳，反之，则加氢空冷器的管束失稳；
若失稳则加氢空冷器的并联管束上增设设置一个垂直于并联管束方向将并联管束紧固的支撑管架，直到加氢空冷器的管束不失稳；支撑管架将所在处的加氢空冷器的并联管束并联紧固，若有多个支撑管架则沿并联管束延伸方向间隔均布设置支撑管架。
所述的稳定许用临界压应力计算如下：
首先，根据管束材质的弹性模量和设计温度下的材料屈服强度计算管束柔度Cr和管束回转半径I：
Figure BDA0002607411990000031
其中，x表示管束材质的弹性模量序号；Ext表示管束材质的弹性模量，E1t、E2t分别为冷弹性模量、温弹性模量，ReL为设计温度下的材料屈服强度；D为管束外径，δ为管束壁厚；
对于碳钢而言，不考虑其冷态或热态，取其弹性模量E1t＝E2t，查表可得碳钢材质在设计温度下的屈服强度ReL，其单位为Mpa。计算可得Cr＝129.4534。
其次，计算管束的当量长度Lcr，管束的当量长度Lcr与并联管束上的支撑管架的数量m有关：
Lcr＝max{L/(m+1),0.7L/(m+1)}
其中，m表示并联管束上的支撑管架的数量，max{}表示取最大值函数；
当m＝4时，Lcr＝L/(m+1)＝2.1m。
然后，根据管束柔度Cr、管束回转半径I和管束的当量长度Lcr进行划分分段函数判断并计算稳定许用临界压应力[σcr]：
当Cr≤Lcr/I时：
Figure BDA0002607411990000041
当Cr＞Lcr/I时：
Figure BDA0002607411990000042
其中，[σcr]表示稳定许用临界压应力。
所述的加氢空冷器中流通管束所受到的轴向压应力和轴向压应力分别采用以下公式进行计算：
Figure BDA0002607411990000043
Figure BDA0002607411990000044
式中：E1t、E2t分别为冷弹性模量、温弹性模量，ε1t、ε2t为冷弹性应变量、温弹性应变量，L为管束长度，ΔL为管束长度L的自由变形量，ΔL1为管束受拉伸形变量，ΔL2为管束受压缩形变量；σ1t表示堵塞管束所受到的轴向拉应力，σ2t表示流通管束所受到的轴向压应力。
所述加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，具体是在加氢空冷器中的堵塞管束根数计算方法的基础上，确定流动管束所受到的轴向压应力σ2t等于稳定许用临界压应力[σcr]时，即可确定加氢空冷器的堵塞管束达到失稳变形的临界值n'，继而进一步计算并联管束上支撑管架的数量m与加氢空冷器管束临界堵管根数的关联关系，为实际服役过程中的加氢空冷器管束失稳评价及状态监测提供依据。
加氢空冷器管束堵塞变形临界特性中的加氢空冷器的堵塞管束达到失稳变形的临界值n'及其关系参照以下方式处理获得：
A)当流通管束所受到的轴向压应力σ2t等于稳定许用临界压应力时，即σ2t＝[σcr]时，加氢空冷器的堵塞管束根数达到临界值，采用以下公式计算得到加氢空冷器中堵塞管束根数临界值n’：
Figure BDA0002607411990000051
a＝(L-ΔL)/L，b＝E1t/E2t
其中，[]表示取整数；ΔL为管束轴向长度的自由变形量，L为管束长度，N为并联管束总根数；E1t、E2t分别为冷弹性模量、温弹性模量。
获得的堵塞管束根数临界值n’作为实际服役过程中的加氢空冷器管束失稳评价及状态监测提供依据，同时若出现管束失稳，可以通过添加后续的管束支撑数量来提高管束堵塞根数临界值，保证运行安全。
B)计算并联管束上支撑管架的数量m与临界堵管根数n’关联关系的步骤为：
Figure BDA0002607411990000052
Figure BDA0002607411990000053
其中，Lcr表示管束的当量长度，I表示管束回转半径，δ为管束壁厚；
然后进行判断：
当当前并联管束上的支撑管架的数量m≤[m0]时，采用以下公式计算稳定许用临界压应力[σcr]，再依此为依据管束受压缩形变量ΔL2：
Figure BDA0002607411990000054
进而依据加氢空冷器中堵塞管束根数临界值n’计算方法，将上式代入并计算管束失稳临界堵管根数；
Figure BDA0002607411990000055
则计算获得加氢空冷器管束失稳临界堵管根数n’：
Figure BDA0002607411990000056
当当前并联管束上的支撑管架的数量m>[m0+1]时，采用以下公式计算稳定许用临界压应力[σcr]：
Figure BDA0002607411990000061
则计算获得加氢空冷器管束失稳临界堵管根数n’：
Figure BDA0002607411990000062
最后，将当前加氢空冷器中的堵塞管束根数n和加氢空冷器管束失稳临界堵管根数n’进行比较，对空冷器运行安全进行状态判断和风险评价。
本发明的有益效果是：
本发明方法通过对应力测试处理获得了加氢空冷器管束的失稳变形特性，建立了加氢空冷器管束的失稳临界堵管根数计算，表征了并联管束支撑数量对加氢空冷器管束临界堵管根数的影响，适用于对加氢空冷管束失稳变形的风险预测，降低或避免加氢空冷管束的堵塞变形失效。
本发明可适用于加氢装置、常减压装置的冷换管束，也可适用于生物制药、核工业中的换热管束，判定方法科学可靠准确。
附图说明
图1是加氢空冷器管束及其进出口管道系统的示意图；
图2是基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形的临界特性求解流程框图；
图3是管束堵管数量与应力关系图；
图4是并联管束的支撑结构示意图；
图5是并联管束支撑数量对临界堵管根数影响的计算流程框图；
图6是管束支撑数与管束失稳临界堵管数关联关系图。
图中：1、加氢空冷器管束总入口管道；2、一分为二后的二分四管汇；3、第一支路；4、第二支路；5、第三支路；6、第四支路；7、第一调节阀；8、第二调节阀；9、第三调节阀；10、第四调节阀；11、注水管线；12、第一加氢空冷器管束；13、第二加氢空冷器管束；14、第三加氢空冷器管束；15、第四加氢空冷器管束；16、第一加氢空冷器管束出口；17、第二加氢空冷器管束出口；18、第三加氢空冷器管束出口；19、第四加氢空冷器管束出口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施时采用加氢空冷器管束，如图1所示，加氢空冷器管束包括物料入口部分、加氢空冷器、物料出口部分。
物料入口部分包括冷换设备单元的总入口管道1、一分四管路2、第一调节阀7、第二调节阀8、第三调节阀9和第四调节阀10；加氢空冷器包括四个并联的底部带有风机的加氢空冷器，具体为第一加氢空冷器16、第二加氢空冷器17、第三加氢空冷器18、第四加氢空冷器19，四台加氢空冷器结构、材质相同且并联布置；第一加氢空冷器16、第二加氢空冷器17、第三加氢空冷器18、第四加氢空冷器19入口管道和出口管道均安装有截止阀。
总入口管道1连接到一分四管路2的入口，一分四管路2的四个出口分别接第一支路3、第二支路4、第三支路5、第四支路6的入口；冷换设备的各加氢空冷器进口依次通过设置在各管汇支路末端的调节阀7、8、9、10与一分四管路2出口的各支路3、4、5、6的出口相联通。含有NH3、HCl、H2S等腐蚀性介质的油气多元流体进入到总入口管道1，然后流至立体空间内异面对称布置的一分为二、二分为四的对称并联管道，即一分四管路2；一分四管路管汇出口的四条管线分别接结构、连接方式均相同的第一支路3、第二支路4、第三支路5、第四支路6。
保持第一调节阀7、第二调节阀8、第三调节阀9、第四调节阀10完全打开，含有NH3、HCl、H2S的油气水多元流体介质从冷换设备单元总入口管道1进入，通过一分四管路2分配分别流至第一加氢空冷器16、第二加氢空冷器17、第三加氢空冷器18、第四加氢空冷器19。
各个加氢空冷器的入口侧均设有用于安全排空处理的介质置换注入口。
各台加氢空冷器16、17、18、19的进、出口管道分别设置两只结构相同的截止阀。截止阀用于对各个加氢空冷器在管路堵塞等发生故障时和介质置换注入口配合进行安全排空处理。在需要安全排空时，关闭加氢空冷器的入口和出口的截止阀均关闭，然后从介质置换注入口输入氮气对加氢空冷器内部物料进行排空处理。
考虑到进入到总入口管线的物流为含有NH3、HCl、H2S等腐蚀性介质的油气多元流体，在降温流动过程中NH3会与HCl、H2S分别反应NH4Cl、NH4HS，故在各台加氢空冷器进口管道的截止阀前相同位置布设注水器1只，一共4只注水器，每只注水器一端插入到加氢空冷器进口管线内部进行注水，另一端经调节阀汇总至四只注水器共用的注水管线11，注水管线11连接注水泵。
如图2所示，本发明基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，其管束堵塞变形的临界特性求解步骤如下：
1)对于碳钢材质的加氢空冷器管束，其结构为多排并联管束，在不考虑重力影响的前提下，针对加氢空冷器管束内腐蚀性多元流体介质(NH3、HCl、H2S及油、气、水等)的流动及传热引发的温差产生的轴向应力应变进行分析；在管束材料、结构相同的前提下，假定并联管束在相同温度下因轴向力引起的形变量相等，则建立管束变形协调方程为：
ΔL＝ΔL1+ΔL2                        (1)
ΔL为管束长度的自由变形量，ΔL1为管束受拉伸形变量，ΔL2为管束受压缩形变量。
建立并联管束受力平衡方程：
nF1＝(N-n)F2                        (2)
n为堵塞根数；F1为管束受拉力，单位：牛顿；N为并联管束总根数；F2为管束受压力，单位：牛顿。
2)根据堵塞管束和流通管束的状态，构建力学平衡方程：
堵塞管束受到的轴向拉应力σ1t、拉力F1表示为：
Figure BDA0002607411990000081
F1＝σ1tA1                          (4)
流通管束受到的轴向压应力σ2t、压力F2表示为：
Figure BDA0002607411990000082
F2＝σ2tA2                         (6)
式中：E1t、E2t分别为冷弹性模量、温弹性模量，其单位均为Mpa；ε1t、ε2t为应变，L为管束长度，单位：m；A1、A2为管束截面积，单位：mm2。
联立式(1)～(6)，并代入并联管束受力平衡方程式(2)，可得：
Figure BDA0002607411990000083
利用构建的并联管束受力平衡方程，依据管束截面积相等(A1＝A2)，计算获得管束堵塞根数n与弹性模量(E1t、E2t)、管束长度L、管束自由变形量ΔL、并联管束总根数N、管束受压缩形变量ΔL2的函数关联方程：
Figure BDA0002607411990000091
基于温度应力的形变量ΔL’表示为：
ΔL’＝αlΔT·L                      (9)
式中，a＝(L-ΔL)/L，b＝E1t/E2t，αl为材料的线膨胀系数，ΔT为管束内外壁温差；
对于碳钢管束，取其线膨胀系数为αl＝11.16×10-6；管束内外温差为ΔT＝38℃，管束长度取L＝10.5m。计算得出基于温度应力的形变量ΔL’＝0.00445m。
3)当堵塞管束根数n＝1时，堵塞管束所受到的轴向拉应力达到最大值σ1max，加氢空冷器中堵塞管束所受到的轴向拉力达到最大值F1max，若此时管束所受拉应力小于管束焊接许用拉脱应力，则管束与管板连接强度安全，加氢空冷器的管束不失稳，反之，则管束与管板拉脱；当堵塞管束根数达到N-1时，流通管束所受到的轴向压应力达到最大值σ2max，加氢空冷器中流通管束所受到的轴向压力达到最大值F2max，若此时流通管束所受压应力小于管束稳定许用临界压应力，则管束变形属于弹性变形，管束不失稳，反之，则加氢空冷器的管束失稳。
其中稳定许用临界压应力和加氢空冷器的堵塞管束达到失稳变形的临界堵管数n’计算方法如下：
首先，根据管束材质的弹性模量及设计温度下的材料屈服强度计算管束柔度Cr和管束回转半径I：
Figure BDA0002607411990000092
对于碳钢而言，不考虑其冷态或热态，取其弹性模量E1t＝E2t，查表可得碳钢材质在设计温度下的屈服强度ReL，其单位为Mpa。计算可得Cr＝129.4534。
Figure BDA0002607411990000093
其次，计算管束的当量长度Lcr，管束的当量长度与并联管束的支撑数量m有关，即：
Lcr＝max{L/(m+1),0.7L/(m+1)}             (12)
当m＝4时，Lcr＝L/(m+1)＝2.1m。
式(11)～(12)中：ReL为设计温度下的材料屈服强度；D为管束外径，δ为管束壁厚；
然后，计算许用临界压应力，划分分段函数。
当Cr≤Lcr/I时：
Figure BDA0002607411990000094
当Cr＞Lcr/I时：
Figure BDA0002607411990000106
利用上述得出的数据，进行分段函数划分，其中Cr＝129.4534，Lcr/I＝262.8286，故Cr≤Lcr/I。此时，计算许用临界压应力[σcr]。
Figure BDA0002607411990000101
最后，建立加氢空冷器管束失稳临界堵管根数计算判据。当流通管束所受到的轴向应力等于失稳许用临界压应力时，即σ2t＝[σcr]时，加氢空冷器管束堵管数达到临界值。将其代入到式(5)可得：
Figure BDA0002607411990000102
将式(16)代入到式(8)，可得加氢空冷器管束堵管根数n：
Figure BDA0002607411990000103
式(17)中，a＝(L-ΔL)/L＝0.99958，b＝E1t/E2t＝1.0144。
再计算获得加氢空冷器管束失稳临界堵管根数为n’＝[n+1]，圆整后即n’＝13，当n’≥13时，管束失稳变形风险较高，建议采取相应措施。
按照上述方法，计算得出的管束堵管数量与应力关系图，如图3所示。
如图4所示，为并联管束的支撑结构示意图。图5为并联管束支撑数量对临界堵管根数影响的计算流程框图。
为了研究并联管束的支撑数量m对加氢空冷器管束临界堵管根数的影响，其步骤包括：
步骤1)首先计算管束长径比：
Figure BDA0002607411990000104
步骤2)基于Cr＝Lcr/I，代入公式(10)和公式(18)，再计算临界并联管束支撑数量m0：
Figure BDA0002607411990000105
步骤3)当并联管束的支撑数量m≤[m0]时，采用式(13)计算许用临界压应力[σcr]；反之，当并联管束的支撑数量m>[m0+1]时，采用式(14)计算许用临界压应力[σcr]；
以管束支撑数m≤[m0]时为例，采用式(13)计算许用临界压应力[σcr]。
m＝4时，则管束受压缩形变量ΔL2表示为：
Figure BDA0002607411990000111
Figure BDA0002607411990000112
则加氢空冷器管束失稳临界堵管根数n’变换为：
Figure BDA0002607411990000113
对其圆整后，取n’＝13根。
分别对m＝1、2、3、4、5的管束失稳临界堵管数进行计算，其计算结果如图6所示，即管束支撑数与管束失稳临界堵管数关联关系图。
如图6所示，可知空冷器管束失稳临界堵管数n’是关于管束支撑数m的单调递增函数，即m≤[m0]时，管束支撑数越多，空冷器管束失稳临界堵管数越大。经拟合得到管束失稳临界堵管数n’与管束支撑数m的函数关系如下式所示
n’＝0.5714m2+0.5714m+1.8                (22)
由此可见，本发明完整方法能准确测试处理获得了加氢空冷器管束的失稳变形特性，可适用于加氢装置、常减压装置的冷换管束，也可适用于生物制药、核工业中的换热管束，判定方法科学可靠准确。

Claims (7)

1.一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，其特征在于：
方法采用加氢空冷器管束，加氢空冷器管束包括物料入口部分、加氢空冷器、物料出口部分；物料入口部分包括冷换设备单元的总入口管道(1)、一分四管路(2)、第一调节阀(7)、第二调节阀(8)、第三调节阀(9)和第四调节阀(10)；加氢空冷器包括四个并联的底部带有风机的加氢空冷器，具体为第一加氢空冷器(16)、第二加氢空冷器(17)、第三加氢空冷器(18)、第四加氢空冷器(19)；第一加氢空冷器(16)、第二加氢空冷器(17)、第三加氢空冷器(18)、第四加氢空冷器(19)入口管道和出口管道均安装有截止阀；总入口管道(1)连接到一分四管路(2)的入口，一分四管路(2)的四个出口分别接第一支路(3)、第二支路(4)、第三支路(5)、第四支路(6)的入口；冷换设备的各加氢空冷器进口依次通过设置在各管汇支路末端的调节阀(7、8、9、10)与一分四管路(2)出口的各支路(3、4、5、6)的出口相联通；
方法按照以下过程处理：
1)加氢空冷器中各管束并联布置，且截面积相等，建立以下总管束堵塞根数n与弹性模量E1t和E2t、管束长度L、管束自由变形量ΔL、并联管束总根数N、管束受压缩形变量ΔL2的并联管束关系方程，计算获得加氢空冷器中的堵塞管束根数：
Figure FDA0004057309350000011
a＝(L-ΔL)/L
b＝E1t/E2t
其中，ΔL为自由变形量，ΔL2为管束受压缩形变量，L为管束长度，N为并联管束总根数；E1t、E2t分别为冷弹性模量、温弹性模量；
2)当堵塞管束根数n＝1时，该堵塞管束所受到的轴向拉应力达到最大值σ1max，加氢空冷器中堵塞管束所受到的轴向拉力达到最大值F1max，若此时管束所受拉应力小于管束焊接许用拉脱应力，则管束与管板连接强度安全，加氢空冷器的管束不失稳，反之，则管束与管板拉脱；
当堵塞管束根数达到N-1时，流通管束所受到的轴向压应力达到最大值σ2max，加氢空冷器中流通管束所受到的轴向压力达到最大值F2max，若此时流通管束所受压应力小于管束稳定许用临界压应力，则管束变形属于弹性变形，管束不失稳，反之，则加氢空冷器的管束失稳；
若失稳则加氢空冷器的并联管束上设置一个垂直于并联管束方向将并联管束紧固的支撑管架，直到加氢空冷器的管束不失稳；支撑管架将所在处的加氢空冷器的并联管束并联紧固，若有多个支撑管架则沿并联管束延伸方向间隔均布设置支撑管架。
2.根据权利要求1所述的一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，其特征在于：
所述的稳定许用临界压应力计算如下：
首先，根据管束材质的弹性模量和材料屈服强度计算管束柔度Cr和管束回转半径I：
Figure FDA0004057309350000021
x＝1或2
Figure FDA0004057309350000022
其中，x表示管束材质的弹性模量序号；Ext表示管束材质的弹性模量，E1t、E2t分别为冷弹性模量、温弹性模量，ReL为材料屈服强度；D为管束外径，δ为管束壁厚；
其次，计算管束的当量长度Lcr：
Lcr＝max{L/(m+1),0.7L/(m+1)}
其中，m表示并联管束上的支撑管架的数量，max{}表示取最大值函数；
然后，根据管束柔度Cr、管束回转半径I和管束的当量长度Lcr进行划分分段函数判断并计算稳定许用临界压应力[σcr]：
当Cr≤Lcr/I时：
Figure FDA0004057309350000023
当Cr＞Lcr/I时：
Figure FDA0004057309350000024
其中，[σcr]表示稳定许用临界压应力。
3.根据权利要求1所述的一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，其特征在于：
所述的加氢空冷器中流通管束所受到的轴向压应力和轴向压应力分别采用以下公式进行计算：
Figure FDA0004057309350000031
Figure FDA0004057309350000032
式中：E1t、E2t分别为冷弹性模量、温弹性模量，ε1t、ε2t为冷弹性应变量、温弹性应变量，L为管束长度，ΔL为管束长度L的自由变形量，ΔL1为管束受拉伸形变量，ΔL2为管束受压缩形变量；σ1t表示堵塞管束所受到的轴向拉应力，σ2t表示流通管束所受到的轴向压应力。
4.根据权利要求2所述的一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，其特征在于：
加氢空冷器管束堵塞变形临界特性中的加氢空冷器的堵塞管束达到失稳变形的临界值n'及其关系参照以下方式处理获得：
A)采用以下公式计算得到加氢空冷器中堵塞管束根数临界值n’：
Figure FDA0004057309350000033
a＝(L-ΔL)/L，b＝E1t/E2t
其中，[]表示取整数；ΔL为管束轴向长度的自由变形量，L为管束长度，N为并联管束总根数；E1t、E2t分别为冷弹性模量、温弹性模量。
B)计算并联管束上支撑管架的数量m与临界堵管根数n’关联关系的步骤为：
首先计算管束长径比Lcr和临界并联管束支撑管架数量m0：
Figure FDA0004057309350000034
Figure FDA0004057309350000035
其中，Lcr表示管束的当量长度，I表示管束回转半径，δ为管束壁厚；
然后进行判断：
当并联管束上的支撑管架的数量m≤[m0]时，采用以下公式计算稳定许用临界压应力[σcr]，再依此为依据管束受压缩形变量ΔL2，其中，[]表示取整数运算：
Figure FDA0004057309350000041
进而依据加氢空冷器中堵塞管束根数临界值n’计算方法，将上式代入并计算管束失稳临界堵管根数；
Figure FDA0004057309350000042
则计算获得加氢空冷器管束失稳临界堵管根数n’：
Figure FDA0004057309350000043
Figure FDA0004057309350000044
当并联管束上的支撑管架的数量m>[m0+1]时，采用以下公式计算稳定许用临界压应力[σcr]，其中，[]表示取整数运算：
Figure FDA0004057309350000045
则计算获得加氢空冷器管束失稳临界堵管根数n’，式中的[]均表示取整数运算：
Figure FDA0004057309350000046
Figure FDA0004057309350000047
最后，将当前加氢空冷器中的堵塞管束根数n和加氢空冷器管束失稳临界堵管根数n’进行比较，对空冷器运行安全进行状态判断和风险评价。
5.根据权利要求1所述的一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，其特征在于：各个加氢空冷器的入口侧均设有用于安全排空处理的介质置换注入口。
6.根据权利要求1所述的一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，其特征在于：各台加氢空冷器(16、17、18、19)的进、出口管道分别设置两只结构相同的截止阀。
7.根据权利要求1所述的一种基于应力分析的加氢空冷器管束堵塞变形临界特性测定方法，其特征在于：各台加氢空冷器进口管道的截止阀前相同位置布设注水器1只，一共4只注水器，每只注水器一端插入到加氢空冷器进口管线内部进行注水，另一端经调节阀汇总至四只注水器共用的注水管线(11)，注水管线(11)连接注水泵。
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CN117236055B (zh) * 2023-10-10 2024-04-19 中煤科工集团武汉设计研究院有限公司 一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES243823Y (es) * 1979-05-29 1980-04-16 Sifon flexible para desagues dobles.
JP2013024574A (ja) * 2011-07-15 2013-02-04 Azbil Corp 導圧管の詰まり診断システムおよび診断方法
JP2013024575A (ja) * 2011-07-15 2013-02-04 Azbil Corp 導圧管の詰まり診断システムおよび診断方法
CN203948729U (zh) * 2014-07-03 2014-11-19 徐州阿卡控制阀门有限公司 爆破销安全阀
CN105388178B (zh) * 2015-10-26 2018-08-03 浙江理工大学 用于压力管道结晶物流动沉积的温度监测装置及控制方法
CN106017401B (zh) * 2016-06-13 2018-11-09 上海建工集团股份有限公司 超高泵送混凝土输送管堵塞的监测装置及监测与评判方法
JP7126406B2 (ja) * 2018-08-30 2022-08-26 日本アビオニクス株式会社 配管検査装置及び配管検査方法

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