淺析立式熱虹吸再沸器熱應力及管道設計

叢 偉，韓 磊

(中國石油工程建設有限公司華東設計分公司，山東 青島 266071)

淺析立式熱虹吸再沸器熱應力及管道設計

叢 偉，韓 磊

(中國石油工程建設有限公司華東設計分公司，山東 青島 266071)

立式熱虹吸再沸器是利用熱介質在殼程提供熱量將管側工藝流體加熱沸騰的管殼式換熱器。本文介紹了立式熱虹吸再沸器的熱應力分析及管道設計注意事項；筆者以芳烴分離裝置為例，運用CAESARII軟件對相關管道及設備管口進行應力分析。

立式虹吸式再沸器；應力分析；管道設計

再沸器主要分為熱虹吸再沸器和釜式再沸器，熱虹吸再沸器又分為立式熱虹吸再沸器和臥式熱虹吸再沸器。其中立式是利用熱介質在殼側提供熱量將管側工藝流體加熱沸騰的管殼式換熱器，它是自然循環的單元操作，動力來自與之相連的精餾塔塔釜液位產生的靜壓頭和管內流體的密度差。立式熱虹吸再沸器具有傳熱系數高、結構緊湊、安裝方便，釜液在加熱段的停留時間短、不易結垢、調節方便、占地面積小、設備及運行費用低等顯著優點，在石化行業中應用十分廣泛。

1 安裝方式

在石化裝置中，由于工藝上要求立式再沸器與塔的距離最小，因此立式再沸器的出口宜與塔的管口直接連接。塔設備通常是用裙座固定在地面基礎上，而立式再沸器的支撐通常有2種形式。較典型的支撐形式見圖1。

(a)為支撐在塔上；(b)為支撐在結構平臺上 圖1 立式再沸器與塔布置型式

2 熱應力分析

2.1 熱應力對比分析

由于塔與再沸器的材質和溫度不同，所以膨脹量不同，因而容器的管口在豎直方向上將產生較大的熱脹反力和彎矩，亦即在管口與容器的連接點將產生很高的應力。如果應力過高，超過容器管口允許受力(力矩)，很容易造成法蘭泄露，從而造成危險。

(1)對于圖1(a)中所示的支撐結構，通常將根據2臺設備的溫度、材質等來確定再沸器支撐在塔上的位置，同時確定再沸器的支耳位置，以使A-B的膨脹量與C-D點的膨脹量相等或相近;如果相等(通常這難以實現)，則支架的剛度要求很大；如果不等，通常是C-D點的膨脹量大于A-B的膨脹量，這時則需要選擇合適的支架型鋼，在滿足強度控制的前提下，同時滿足剛度的要求，即允許支架型鋼有一定的撓度，用以吸收一些熱膨脹，從而使設備口的力和力矩減小到允許的范圍內。

(2)對于圖1(b)中所示的支撐結構，一種做法是盡量找出再沸器上的C點，在這點上再沸器C點-D點的膨脹量等于或接近塔A點-B點的膨脹量，此時不用在支耳處設置彈簧架，但由于受系統穩定性、容器設計和安裝等很多因素的限制，這一點通常很難做到。更好的方法是在再沸器的4個(或2個)支耳處設置彈簧支架，而通過設定彈簧荷載的辦法，使設備管口處的作用力和力矩減小到允許的范圍內，這樣就相對簡單。

通過上述兩種安裝方式的熱應力分析對比結果來看，圖1(b)的安裝對支架的剛度及擾度不存在較高要求，其設計、安裝以及后期的操作更為簡便；同時隨著煉化規模的不斷擴大，相關設備的容器儲量也不斷增加，對于大型立式再沸器目前更多采用框架式支撐，這種支撐方式可以減少立式再沸器對塔所產生偏載，從而進一步增強了塔的穩定性。以下將重點分析此類再沸器的熱應力及配管注意事項。

2.2 熱應力分析注意事項

由于塔與再沸器運行時工況比較復雜，用CAESARII軟件進行應力分析時，應特別注意載荷工況的設定，對于框架式支撐情況，建議的荷載工況組合如下：

(1)W+P+F(SUS)為一次應力計算工況。

(2)W+T1+P+F(SUS)為正常操作工況。

(3)W+T2+P+F(OPE)為塔正常而再沸器停工況。

(4)W+T3+P+F(OPE)為塔停而再沸器正常工況。

(5)W+T4+P+F(OPE)為設計溫度工況。

(6)W+F(SUS)為空重工況。

(7)D5-D1(EXP)為二次應力工況。

(8)D4-D1(EXP)為二次應力工況。

(9)D3-D1(EXP)為二次應力工況。

(10)D2-D1(EXP)為二次應力工況。

其中，W為管道自重(包括管重、保溫重、介質重和剛性元件重)，P為壓力，T為溫度，F為集中力/力矩、冷緊、彈簧初始荷載。上述的荷載工況并非全部必須要做，這要視工藝的情況選擇。管道應力分析時，建議設備管口使用CAESARII中心WRC297柔性管嘴來模擬，這樣可以更加真實地反映受力情況。

2.3 工程案例分析

圖2 某芳烴分離裝置立式再沸器工藝管道配管模型表1 180點和190點受力表

NodeLoadCaseFX/N.FY/N.FZ/N.MX/(N.m).MY/(N.m)MZ/(N.m)DX/mm.DY/mmDZ/mm180RigidANC4(HYD)148-877272945-4551481-0.021-0.029-0.0405(OPE)2874768082523020-212712068-0.2779.554-10.8596(OPE)50470733041335229050150.0347.780-8.9087(OCC)-1047698031121061332067110.2087.767-8.9108(OCC)205471662965-39612633320-0.1407.793-8.9069(OCC)46270961538-131400949920.0857.813-8.88910(OCC)547705045448005715038-0.0177.747-8.92611(SUS)5-16352-1215-2413-313413422-0.0410.9170.18312(SUS)3573551008-2010236977790.088-0.835-0.20813(SUS)3573551008-2010236977790.088-0.835-0.208MAX2874/L5-16352/L118252/L53020/L54009/L913422/L11-0.277/L59.554/L5-10.859/L5190RigidANC4(HYD)-148-6181-722365832-1481-0.002-0.042-0.0405(OPE)-2874-15735-8252-329339470-12068-0.05710.361-4.9136(OPE)-504-15128-3041-28696-1002-50150.0128.450-3.9937(OCC)1047-15035-3112-29184-5994-67110.0698.448-3.9958(OCC)-2054-15221-2965-282043984-3320-0.0468.452-3.9919(OCC)-462-15150-1538-28288-2829-49920.0208.461-3.97510(OCC)-547-15105-4544-29104825-50380.0038.439-4.01111(SUS)-584591215341093146-134220.0310.1900.18212(SUS)-35-15410-1008-27072-2279-77790.035-0.218-0.20713(SUS)-35-15410-1008-27072-2279-77790.035-0.218-0.207MAX-2874/L5-15735/L5-8252/L534109/L119470/L5-13422/L110.069/L710.361/L5-4.913/L5

本項目通過在再沸器支耳處設置4個彈簧， 使設備管口處180點和190點的作用力和力矩減小到允許的范圍內(如表1所示)，并最終滿足HG/T20583-2011《鋼制化工容器結構設計規定》要求。

2.4 配管注意事項

(1)工藝介質的進出口管道在滿足柔性的條件下，應使管道短，彎頭數量少。由于此類管線管徑較大，受力苛刻，在提管口壓力等級條件時，應適當提高管口磅級，增大管口受力要求；當再沸器有2個返回口時，返回管道應對稱布置。

(2)立式再沸器的出口宜與塔的管口直接連接。

圖3 立式再沸器與彈簧支架支撐方式

(3)雖然兩設備管口之間的直連工藝管線較短，但在開工升溫后，管線會沿其軸線方向熱膨脹，如果此時再沸器位移受限，兩設備管口在管線軸線方向的作用力和管子的內應力都將很大，從而導致管道二次應力不能通過。為消除管口軸向上所受的熱應力，較好的辦法是在彈簧支架的上表面與再沸器支耳厎面之間增加1層聚四氟乙烯板(如圖3所示)，將彈簧與支耳之間的摩擦系數從鋼對鋼的0.3降為不銹鋼對聚四氟乙烯的0.1，從而允許再沸器在管線軸線方向有一定的位移。

(4)由于再沸器構架緊挨塔器，構架基礎可能會影響塔的樁基及基礎施工。在設計過程中，通常再沸器廠家提供資料的時間較晚，往往在收到再沸器資料時，塔器已經開始打樁基，因此在收到資料后應盡快與工藝專業、設備專業協商共同將再沸器構架的基礎委拖提出，以便土建專業能在塔基礎施工前及時發現問題，從而避免設計失誤。

(5)再沸器的膨脹節(下管板)通常位于支耳下方，在給土建專業提支撐再沸器層平臺委托時，構架平臺開洞大小L1(如圖3所示)應滿足在裝卸再沸器時膨脹節(下管板)能順利通過。為滿足上述條件，往往需要再沸器廠家加長支耳長度L2(如圖3所示)，從而保證彈簧支架的底座能完全落在構架平臺上，避免部分彈簧底座占用開洞位置，阻礙再沸器的裝卸。

3 結束語

在設計過程中，由于再沸器牽涉的專業較多且設計周期較短，這就要求配管設計人能全局掌握設計進度，及時有序地提交構架基礎，管道應力，管口受力以及構架平臺荷載和開洞等委托，從而保證項目順利進行。

[1] 唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2003.

[2] 宋岢岢.工業管道應力分析與工程應用[M].北京：中國石化出版社，2011.

(本文文獻格式：叢 偉，韓 磊.淺析立式熱虹吸再沸器熱應力及管道設計[J].山東化工,2017,46(15):127-129.)

Piping Design and Stress Analysis for Vertical Thermosyphon Reboiler

CongWei,HanLei

(CPECC East-China Design Branch,Qingdao 266071,China)

The vertical thermosyphon reboiler is a shell-and-tube heat exchanger, using heat medium to provide heat in the shell side to heat the tube side process fluid to boiling. This paper introduces the thermal-stress analysis of vertical thermosyphon reboiler and the matters needing attention in pipeline design. Taking the Aromatics Separation Unit as an example, author has analyzed the thermalstress of the pipe and equipment nozzles.

vertical thermosyphon reboiler;thermal-stress analysis;piping design

2017-05-24

叢 偉(1982—)，女，山東威海人，本科，工程師，主要從事煉油行業的管道設計工作。

TQ051.6

B

1008-021X(2017)15-0127-03