塔底再沸器彈簧支架設計

朱周軍

(鎮海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315000)

再沸器(也稱之為重沸器)是化工過程中的常用設備之一，多與分餾塔合用，一般就近安裝在分餾塔底部。塔底的液相通過塔底管線進入再沸器中，通常在再沸器中有25%～30%的液相被汽化。被汽化的兩相流被送回到分餾塔中，返回塔中的氣相組分向上通過塔盤，而液相組分回落到塔底，從而實現塔底液的加熱與循環。以芳烴裝置脫庚烷流程為例(見圖1)，再沸器安裝在脫庚烷塔底部，且塔與再沸器的連接管線都盡量短。在熱態下，如果塔與再沸器相對位置固定，隨著溫度升高，在豎直方向和管線軸向會產生較大的熱應力，如果不采取有效的消除措施，可能會使連接的設備因產生過大的應力而使其變形甚至破壞，影響設備的正常運行[1]。

圖1 再沸器流程

1 換熱器支架初定

實際工程中，塔設備通常用裙座固定在地面基礎上，換熱器支架一般選用剛性支架，以保證設備的穩定性。對于本案例，再沸器在精餾塔固定端以下，而塔底液返回口在塔上部，如果采用剛性支架，則會在豎直方向產生非常大的熱應力，有可能造成設備變形或者破壞。因此，此處支架不應使用剛性支架，而應該選用彈簧支架。彈簧在受荷載時被壓縮，再沸器向下位移，垂直管線受熱膨脹產生的熱應力就會得到釋放。

立式或者臥式再沸器都存在這種問題。由于立式再沸器中心在垂直中心線上，應力分析和支架設計比較簡單，這里就不再進行討論。本文案例中的再沸器為臥式再沸器。

2 換熱器支架應力計算

2.1 主要設計參數

本案例中精餾塔T1(見圖2)的尺寸為φ5 600mm×72 972mm×32mm，工作溫度265℃，材質為16MnR，再沸器(見圖3)的尺寸為φ9 651mm×30mm，殼程工作溫度248℃，管程溫度304/252℃(進口/出口)，材質為Q345R。管線參數見表1。

表1 管線基本參數

2.2 設備及相關管線建模

精餾塔(見圖2)裙座的溫度可以按常溫考慮[2]，其與筒體的連接位置作為整個模型的固定端(ANC)，筒體和管嘴N1按剛性件(Rigid)模擬。塔底出口N2以及內部豎管按管道模擬，這樣可以利用該部分管子的柔性，提高模擬的準確性。

圖2 精餾塔簡圖及管口方位

本案例中的換熱器為BHM型式的臥式換熱器(見圖3)?？紤]到管箱部分以及鞍座相對管箱完全對稱，假設管箱部分質量均布，并通過調整介質密度來控制其質量。針對封頭部分質量的差異，將前后封頭進行細化分割，每一段作為剛性件(Rigid)，并且輸入該段的質量。理論上分割越細化，設備的質量分布越準確，模擬的設備也越接近實際情況。

圖3 再沸器簡圖

根據以上思路建立應力模型，并補充相關管線(見圖4)。節點550為整個模型的固定點(ANC)，各管口節點見表2。

表2 管口與對應節點

圖4 再沸器及相關管線應力模型

2.3 結果分析

法蘭面的泄漏校核采用Kellogg當量壓力法：

其中：Peq為當量壓力；M為作用于法蘭上的彎矩；G為法蘭墊片上的有效直徑；F為作用于法蘭上的軸向力(取絕對值)；Pd為工況中定義的壓力(如操作工況W+T1+P1對應的P1)。

CAESAR II中的Flange Checks集成了該方法，以節點440為例，其設置見圖5。法蘭的材料組別選擇的是ASME-2003-300-1.1組。

各管口法蘭的校核結果見表3。從圖中可以看出，各法蘭面的當量壓力與許用應力比值均在50%～60%，符合要求。

表3 法蘭校核結果

由于本案例為再沸器的更新項目，而且新的換熱器與舊的換熱器基本相同，因此，將新彈簧的計算結果與原有彈簧支架的工作荷載和位移進行比較，結果見表4。

表4 各支架受力及位移

從表4可以看出,兩端支架(Z1和Z4)的受力比中間支架(Z2和Z3)受力要大很多，是因為封頭的質量主要作用在兩端的支架；支架Z1的受力比支架Z2要大，是因為位于支架Z1側的封頭為管程進出口的位置，管線P4和P5的部分質量作用于該側；中間支架(Z2和Z3)荷載接近，是因為管箱部分質量分布比較均勻。而4個支架的位移基本相同，說明設備未發生傾斜。另外，新設計的受力分配與原設計的受力分配相近。

3 支架選型與設計

從上節的分析結果可以看出，新的彈簧受力是符合設計要求的。下面以計算得到的受力和位移為依據進行支架設計。根據NB/T47039-2013《可變彈簧支吊架》，再沸器支撐彈簧選型見表5。

考慮到鞍座底板的尺寸較大以及單個彈簧支架缺乏穩定性，設計以4個彈簧為一組，組成彈簧箱。換熱器的4個鞍座下各放一組彈簧箱(見圖6)，這樣可以提高設備的穩定性。

從表5可以看出，彈簧的安裝高度不一樣，因此，確定設備基礎高度需要特別注意。一種方法是將彈簧箱統一高度，即至少要高于表中的最大值1 031mm，這樣做的目的是使基礎一樣高；另一種方法是根據彈簧箱高度調整基礎的高度，這樣基礎的高度會不一樣。選擇第一種方案，將彈簧箱高度統一做成1 050mm。

表5 彈簧選型

圖6 彈簧箱簡圖

另外，考慮到設備運行初期設備的工作質量未達到穩定運行時的質量，當彈簧裝置釋放時，可能發生向上位移的情況。為保證設備不會被彈簧推至傾斜或者由此導致設備管嘴受力過大，在彈簧上方置了限位，最終支架見圖7。

4 結語

(1)再沸器作為化工裝置中的重要設備，其工作溫度較高，必須對其相關管線進行應力計算。對于這種離塔近、管徑大且缺少自然補償空間的情況，則需要考慮以彈簧支架作為換熱器的支撐。

圖7 彈簧支架設計

(2)臥式再沸器由于封頭部分的質量分布不均勻，導致每一組彈簧的受力都不一樣，在換熱器建模時，應盡量提高模型準確性，對各部分質量進行細化分割。應力分析除了要計算各彈簧支撐的受力，還要保證管口受力及扭矩不能過大，同時建議對法蘭面進行泄漏性校核。此外，設計彈簧支架時應考慮設備的穩定性以及對安裝、運行等工況的適應性，例如將單個彈簧改成彈簧箱、設置限位等。