獨立支撐立式再沸器管道應力分析的注意事項

陳金亮（中石化南京工程有限公司 管道工程室，江蘇 南京210046）

0 引言

塔底再沸器（也稱重沸器）是化工常用設備，用來氣化一部分液相產物返回塔內作氣相回流，使塔內氣液兩相間的接觸傳質得以進行，同時提供蒸餾過程所需的熱量[1]。在實際工程中，再沸器形式多種多樣。其中有一種是熱虹吸式再沸器，它又分為立式和臥式兩種。立式熱虹吸式再沸器的結構簡單，布置在塔測，管道布置緊湊，一般再沸器的氣相出口與塔的氣相入口用直管段帶兩片法蘭直接相連，使得管道柔性差，這就給管道應力分析工作提出了更高的要求。本文以獨立支撐結構的立式熱虹吸式再沸器（以下簡稱再沸器）相連管道的應力分析為例，詳細討論應力分析工作中的注意事項。

1 管道應力分析的任務

塔底再沸器相連管道的應力分析工作要完成下列任務：

（1）計算管道中的應力并使之滿足標準規范的要求，保證管道自身的安全（包括對安裝工況、正常操作工況、最大操作工況、最小操作工況、開停車工況以及偶然工況等的管道應力校核，法蘭泄露校核等）；

（2）計算管道對塔和再沸器管口的作用力，并使之滿足標準規范的要求，保證設備的安全。管道作用在塔和再沸器管口的荷載不應超過設備制造商或設備專業規定的允許值，若設備制造商或設備專業未提出限制性要求，則應將計算得到的管口受力提給設備專業進行有限元分析校核；

（3）計算管道和設備熱位移，為彈簧支架的選型提供依據。在進行上述分析的過程中，應該根據實際情況對不同的方案進行對比，在滿足安全的前提下，選取最優方案[2]。

2 方案選擇及其優缺點

在收到上游專業的條件后，對再沸器的布置進行分析，其典型立面布置如圖1所示。

圖1中L1是塔底部裙座的高度，L2是塔裙座頂到塔氣相進口中心線的高度，L3是再沸器上管板頂到上管箱氣相出口中心線的高度，L4是再沸器殼程筒體支座底部到上管板頂的高度。其中L1和L2由工藝專業設計而定，L3由設備專業設計而定，一般這三個參數都是固定的已知量。L4可以根據管道應力分析的要求在允許的范圍內進行調整。在特定的溫度工況下，上述四個長度對應的熱膨脹量分別為ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4。一般來講塔底部裙座的熱膨脹量ΔL1的數值會比較小，很多管道應力分析工程師會將其忽略不計，這會影響到分析結果的準確性，有可能會得到偏不安全的結果。為了避免這種情況發生，應對其加以考慮，具體的計算方法參見《壓力管道應力分析（第二版）》第4 頁[2]。在得到上述四個熱膨脹量后的關鍵工作是把ΔL1+ΔL2與ΔL3+ΔL4的大小進行對比，根據不同的對比結果采取不同的措施，以確保管道應力以及塔和再沸器的管口受力都在允許的范圍內。

圖1 獨立支撐結構立式再沸器的典型立面圖

2.1 采用剛性支撐

當通過調整再沸器支座的高度可以滿足ΔL1+ΔL2=ΔL3+ΔL4時，可以直接將再沸器支撐在鋼結構框架上。在調整再沸器支座的高度時要注意以下幾點：

（1）支座一般設置在設備重心的上方；（2）支座的設置不和其他管口及配管發生干涉；（3）當殼程筒體上有膨脹節時，支座應設置在膨脹節的上方；（4）在條件允許的情況下，支座的方位宜按圖2設置。

在確定采用此方案可行后，要將以下幾個條件提給設備專業，由其對再沸器設備圖紙進行修改：

（1）調整后的支座高度條件；（2）調整后的支座方位條件；（3）支座開孔條件。

圖2 獨立支撐結構立式再沸器的典型平面圖

如圖2所示，再沸器的四個支座中最右邊的一個位移最大，其位移量應為L5和RE對應的熱膨脹量ΔL5和ΔRE之和。四個支座的開孔長度最短為：ΔL5+ΔRE+4mm+螺栓直徑。應該在設計的安裝圖紙中明確注明螺栓相對于開孔的安裝位置，并要求螺栓不能擰緊，以確保再沸器能夠滑動并有足夠的滑動空間。當ΔRE值較大時，應考慮增加上下兩個支座開孔的寬度。一般為了減小塔和再沸器管口所受到的推力，會在支座和鋼結構框架之間增設聚四氟乙烯墊板摩擦副，增設的這些摩擦副也要進行相應開孔。當能判斷將再沸器直接放在鋼結構框架上足夠穩定時，可以考慮采用圖2中（b）的支座支架形式，這樣設計和安裝都比較簡單，能很好的避免設計和安裝錯誤。

2.2 采用彈簧支撐

當通過調整再沸器支座的高度無法滿足ΔL1+ΔL2=ΔL3+ΔL4時，就要考慮采用彈簧支架將再沸器支撐在鋼結構框架上。

此方案對CAESAR II 建模要求較高，工況組合應包括安裝工況、正常操作工況、最大操作工況、最小操作工況、開停車工況以及偶然工況。為了保證彈簧選型的準確，在建模時需要特別注意：（1）要精確模擬再沸器的空重，同時應將殼程進出口相連管道模擬到模型中；（2）向工藝專業了解正常、最大和最小操作工況（因已經考慮了空重工況，所以最小操作工況也可以不考慮），并索取不同操作工況下管程和殼程介質的工藝參數，再根據設備圖紙分別計算出各個工況下的介質重量并模擬到模型中。管程工藝介質會有兩相流的存在，在計算其重量時要力求準確。殼程熱載體（此處以蒸汽考慮）中不僅包含蒸汽還包含冷凝液，冷凝液的重量一般比較大，一定不能漏算；（3）當設備圖中標明金屬溫度時，應采用此數據進行建模，一般金屬溫度會與工藝溫度有所不同。

模型建好后，應綜合考慮各個工況下的塔和再沸器管口受力大小（主要是最大操作工況和開停車空重工況），以確定彈簧的型號及載荷。當最大操作工況和開停車空重工況下的塔和再沸器管口受力都滿足要求時，可以直接選用普通的坐式彈簧。當無法使最大操作工況和開停車空重工況下的塔和再沸器管口受力同時滿足要求時，應盡量考慮使最大操作工況下的設備管口受力滿足要求。這時，如果ΔL1+ΔL2<ΔL3+ΔL4，即彈簧熱位移向下，可以安裝限位螺栓并定位在彈簧行程指針的冷態位置，限制彈簧在開停車空重工況下向上移動，以使得該工況下的設備管口受力滿足要求；如果ΔL1+ΔL2>ΔL3+ΔL4，即彈簧熱位移向上，可以安裝限位螺栓，其定位位置要隨著開停車工況的溫度變化而調整，以使得該工況下的設備管口受力滿足要求，這種情況要求比較復雜，應盡量通過調整支座高度避免這種情況的發生。

2.3 優缺點對比

方案2.1 的優點是設備安裝方便且牢固穩定，節省費用。其缺點是當運行工況復雜多變時，會導致ΔL1+ΔL2和ΔL3+ΔL4的大小頻繁變化，使得塔和再沸器管口受力可能超過允許荷載，造成法蘭泄露甚至設備破壞。

方案2.2的優點是對運行工況復雜多變不敏感，適應性廣。其缺點是增加了彈簧的費用，設備安裝相對不方便，運行時需要關注彈簧的熱位移情況。

3 結語

本文就再沸器相關的復雜應力狀態進行了分析。應力分析工程師應更加全面地解被分析對象的尺寸參數、工藝參數、介質屬性以及各種工況等，并準確地將其模擬進CAESAR II 模型中，以得到準確的分析結果，從管道應力分析的角度確保被分析對象的安全平穩運行。