溶劑再生塔底重沸器出口管線的應(yīng)力分析

羅偉軍，楊紅梅

(1.武漢凱迪工程技術(shù)研究總院有限公司,湖北 武漢 430223; 2.中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

0 引 言

石油化工裝置中金屬管道在操作狀態(tài)下溫度會升高并膨脹，由此會對設(shè)備管口造成比冷態(tài)時大得多的推力及力矩.如果配管方式不當(dāng)，會使設(shè)備管口的受力超過其允許的數(shù)值，造成設(shè)備管口的損壞，并造成介質(zhì)泄漏，從而引發(fā)事故.某廠120萬噸/年重油催化裂化裝置脫硫系統(tǒng)的溶劑再生塔底重沸器進出口管線腐蝕嚴重并經(jīng)常泄漏，經(jīng)改造將管線材質(zhì)升級為不銹鋼，運行一段時間后重沸器出口反而泄漏更加嚴重.本文通過對重沸器出口線的三維模擬應(yīng)力計算，分析了其泄漏的原因并說明如何通過調(diào)整配管來使設(shè)備管口的受力達到要求.

1 現(xiàn)狀分析

塔底重沸器出口線是由重沸器出口返回至再生塔，輸送介質(zhì)為含有H2S的MDEA(甲基二乙醇胺)溶液.管線的參數(shù)如下：操作溫度為125 ℃、設(shè)計溫度為130 ℃，操作壓力為190 kPa(絕)、設(shè)計壓力為210 kPa(絕)，外徑×壁厚為φ325×8.5 mm，保溫厚度100 mm，保溫材料密度200 kg/m3，介質(zhì)密度為1 000 kg/m3，管線材質(zhì)改造前為20#碳鋼、改造后為00Cr17Ni14Mo2.由于含有H2S，且操作溫度大于110 ℃，會對金屬管道有較大腐蝕影響，因此改造前管線腐蝕嚴重.更換材質(zhì)為超低碳不銹鋼00Cr17Ni14Mo2后，管線應(yīng)該受介質(zhì)影響較小[1]，分析重沸器出口再次泄露的原因可能是由管線配管方式不當(dāng)造成的.下面就管線更換材質(zhì)前后分別分析如下.

2 重沸器出口線更換材質(zhì)前

重沸器出口線的配管方式如三維模型圖1所示.

圖1 改造前重沸器出口管配管模型圖Fig.1 Model of the reboiler outlet pipeline before reform

本次分析軟件為CAESARII5.0(美國COADE公司).應(yīng)力計算結(jié)果的校核標準為：一次應(yīng)力：外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力之和不超過材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力值；二次應(yīng)力：計算的最大位移應(yīng)力范圍(由管線熱脹產(chǎn)生的位移所計算的應(yīng)力稱為位移應(yīng)力范圍，從最低溫度到最高溫度全補償值進行計算的應(yīng)力)不應(yīng)超過許用的位移應(yīng)力范圍[2].

容器管口的受力要求一般要滿足石油化工鋼制容器SH/T3407-2007的規(guī)定[3].

管系的端點(設(shè)備管口)包括：再生塔底返回口(100點)、重沸器出口1(10點)、2(210點).再生塔的材質(zhì)為復(fù)合板(20R+00Cr19Ni10),因此金屬線膨脹系數(shù)仍為碳鋼的膨脹系數(shù).根據(jù)內(nèi)插法求得130 ℃時，低碳鋼的單位線膨脹系數(shù)為1.3 mm/m[4].

再生塔底返回口的附加位移如下：Y方向的附加線位移為塔裙座向上的膨脹量加上設(shè)備筒體從裙座頂部至返回口+Y方向的膨脹量.其中裙座的膨脹量δ計算為1.99 mm[5]，因此Y方向的位移為6.67 mm.X方向的附加線位移為0.Z方向的附加線位移為返回口在塔徑+Z方向長度的膨脹量1.43 mm.角位移均為0.

重沸器材質(zhì)也為復(fù)合板(Q345R+00Cr19Ni10)，金屬線膨脹系數(shù)也為碳鋼的膨脹系數(shù).

重沸器出口1的附加位移如下：Y方向的附加線位移為重沸器鞍座至出口+Y方向的膨脹量1.95 mm；X方向為0；Z方向的附加線位移為重沸器的固定端至進口+Z方向的膨脹量0.29 mm.各方向的角位移都為0.

重沸器出口2的附加位移如下：Y方向的附加線位移為1.95 mm；X方向為0；Z方向的附加線位移為6.53 mm.各方向的角位移都為0.

計算結(jié)果如下：一次應(yīng)力通過，最大為16.3%；二次應(yīng)力通過，最大為11.8%.各設(shè)備管口的受力如表1所示.

根據(jù)SH/T3407-2007的規(guī)定，各設(shè)備管口允許受力如表2(PN2.5用內(nèi)插法求得)所示.

表1 設(shè)備管口受力表Table 1 Restraint of equipment nozzles

表2 設(shè)備管口允許受力表Table 2 Allowed restraint of equipment nozzles

可以看到各設(shè)備管口的受力及力矩都滿足規(guī)范要求.

3 重沸器出口線更換材質(zhì)后

改造后管線材質(zhì)升級為00Cr17Ni14Mo2，重沸器出口線其余設(shè)計參數(shù)不變，管系各端點附加位移也不變，仍為原有配管方式，計算結(jié)果如下：

一次應(yīng)力通過，最大為21.7%；二次應(yīng)力通過，最大為37.5%.各設(shè)備管口受力如表3所示.

表3 設(shè)備管口受力表Table 3 Restraint of equipment nozzles

可以看到重沸器1、2口的FZ及MX值大大超過了管口受力的允許值.因此重沸器出口會發(fā)生泄漏的情況.分析原因為：材質(zhì)改為不銹鋼后，同樣Z方向上長度的不銹鋼管道向兩端的熱膨脹量大于重沸器筒體(碳鋼材料)向兩端的熱脹量，于是管線會對重沸器兩端管口造成很大的推力及力矩.因此，如何吸收重沸器出口管道在Z方向上的膨脹量成為配管的關(guān)鍵.下面就三種配管方式來進行比較：

3.1 第一種方案

配管方式如圖2 所示.此方案將重沸器管口立管的長度加長了500 mm，以吸收Z方向上的膨脹量.計算后的結(jié)果如下：一次應(yīng)力通過，最大為21.2%；二次應(yīng)力通過，最大為34%.各設(shè)備管口受力如表4所示.

圖2 重沸器出口管配管方式1模型圖Fig.2 Model1 of the reboiler outlet pipeline

狀態(tài)受力分析數(shù)據(jù)FX/NFY/NFZ/NMX/N·mMY/N·mMZ/N·m再生塔底返回口(100點)冷態(tài)492-3 9621043 016233-437熱態(tài)-10 5511 288429163-8 239-4 660重沸器出口1(10點)冷態(tài)-402-5 2593 9292 265226302熱態(tài)7 690-8 74665 86858 025-3 456-9 282重沸器出口2(210點)冷態(tài)-90-4 785-4 033-2 480-11540熱態(tài)2 861-6 547-66 297-58 9711 724-5 214

由表4可以看到設(shè)備管口受力沒有多少改善，因此還需調(diào)整配管.

3.2 第二種方案

配管方式如圖3所示.此方案除了加長了重沸器管口立管的長度外，還在重沸器出口立管后向-X方向彎出1 200 mm.由于重沸器的出口管線壓力降不能太大[6]，因此采取分支管合并后平拐至返回口，這樣保證出口線彎頭總數(shù)仍為5個，壓降與原有配管方式一致.計算后的結(jié)果如下：

一次應(yīng)力通過，最大為15.5%；二次應(yīng)力通過，最大為20.5%.各設(shè)備管口受力如表5所示.可以看到受力大有改善，但仍未達到規(guī)范要求，因此還需調(diào)整配管.

3.3 第三種方案

配管方式如圖4所示.此方案除了加長了重沸器管口豎直管的長度外，在重沸器出口立管后向-X方向彎出1 200 mm.計算后的結(jié)果如下：

一次應(yīng)力通過，最大為27.6%；二次應(yīng)力通過，最大為15.1%.各設(shè)備管口受力情況如表6所示.

圖3 重沸器出口管配管方式2模型圖Fig.3 Model 2 of the reboiler outlet pipeline

受力分析數(shù)據(jù)狀態(tài)FX/NFY/NFZ/NMX/N·mMY/N·mMZ/N·m再生塔底返回口(100點)冷態(tài)574-5 1191482 145-318-2 922熱態(tài)-8 031-405-4 4952 248-409-1 903重沸器出口1(10點)冷態(tài)332-4 601805-1346601 417熱態(tài)6 572-9 20815 43610 61110 697-4 399重沸器出口2(210點)冷態(tài)242-4 949-95371-7841 697熱態(tài)1 459-5 055-10 941-7 569-8 142-1 613

圖4 重沸器出口管配管方式3模型圖Fig.4 Model 3 of the reboiler outlet pipeline

可以看到受力改善很多，重沸器1、2口的FZ及MX值較原有配管方式已減小很多，但仍未達到規(guī)范要求.由于重沸器管線壓降不能太大，因此不能再增加彎管，也就無法再進一步吸收管道的熱脹量.所以考慮提高重沸器管口壓力等級，當(dāng)提高到4.0 MPa等級時，按SH/T3407-2007的規(guī)定管口允許受力如表7所示.

表6 方案3設(shè)備管口受力表Table 6 Restraint of equipment nozzles of plan 3

表7 設(shè)備管口允許受力表Table 7 Allowed restraint of equipment nozzles

比較以上三種方案，第三種方案能滿足管口受力要求.所以選擇配管方式為第三種方案，同時提高設(shè)備管口的壓力等級.

4 結(jié)果與討論

重沸器的進出口管道材質(zhì)若與設(shè)備的材質(zhì)不一樣，則管道膨脹量與設(shè)備膨脹量不一樣，那么對設(shè)備管口就會造成較大的推力及力矩.要使設(shè)備管口在允許值范圍內(nèi)，必須很好的吸收管道的熱膨脹.通過配管改善管線柔性可以根據(jù)具體情況而有多種方法，通過方案比較，需采用較經(jīng)濟合理的配管方式來改善設(shè)備管口的受力狀況.通過對本例的應(yīng)力分析，可以得出以下結(jié)論：

a． 當(dāng)重沸器的進出口管道材質(zhì)與設(shè)備材質(zhì)不一致時，出口線的常規(guī)配管不能滿足設(shè)備管口的受力要求，必須更改配管方式.

b． 配管采用如下方式可以很好的提高管道柔性：即加長重沸器出口立管長度約1 m并增加與再生塔反方向的彎管.

c． 若仍然不能滿足管口受力要求，可提高設(shè)備管口的壓力等級或補強等措施來滿足設(shè)備管口的受力要求.

參考文獻：

[1] 中華人民共和國行業(yè)標準.加工高硫原油重點裝置主要管道設(shè)計選材導(dǎo)則SH/T3129-2002[S].北京:中國石化出版社，2003.

[2] 中華人民共和國國家標準 工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范GB50316-2000(2008版)[S].北京:中國計劃出版社 2008.

[3] 中華人民共和國行業(yè)標準 石油化工鋼制壓力容器SH/T3074-2007[S].北京:中國石化出版社，2008.

[4] 張德姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊[M].北京:中國石化出版社,2009：664.

[5] 唐永進.壓力管道應(yīng)力分析[M].北京:中國石化出版社,2010：4-5.

[6] 張晶晶,原凱旋,薛峰.催化裂化裝置穩(wěn)定塔底重沸器進出口管道設(shè)計要點淺析[J].山東化工,2012,41(2)：86-88.