乙腈法丁二烯抽提裝置塔器的設計

◎高峰

丁二烯抽提裝置為中國石化海南煉化100 萬噸/年乙烯項目的主要配套生產裝置之一，采用的是乙腈法丁二烯抽提工藝技術，原料來自于上游乙烯裝置副產混合C4，以乙腈為溶劑，采用兩級萃取精餾加兩級普通精餾，連續生產聚合級1，3-丁二烯產品和抽余液副產品。產品1，3-丁二烯送至產品罐區，副產品抽余液去罐區或作為下游MTBE/丁烯-1 裝置的原料。根據工藝流程，裝置內共設置塔器12 臺，其中第一/第二萃取精餾塔、汽提塔、抽余液水洗塔、丁二烯水洗塔、脫重塔等關鍵塔器具有操作介質中1，3-丁二烯含量較高、塔體高徑比大的特點，本文主要針對上述特點，對丁二烯抽提裝置關鍵塔器的設計提出了一些淺薄觀點和建議。

一、介質特性

操作介質的特性不但直接關系到壓力容器類別的劃分，也直接決定了設計、制造、檢驗等各環節的技術要求，因此，正確判斷介質特性是壓力容器設計極為重要的環節，過于輕率會給生產安全帶來極大的安全隱患，過于嚴苛則會給工程設計、制造、檢驗、設備運行及維護等環節造成不必要的浪費。

（一）1，3-丁二烯的自聚性

1，3-丁二烯劃為易爆介質，但其爆炸隱患往往不是來源于其本身的易爆屬性，而在于1，3-丁二烯具有的共軛雙鍵，化學性質活潑，易通過自由基鏈反生成過氧化物，該過氧化物易自聚形成橡膠狀聚合物，在設備結構死區、儀表接口、塔盤等部位聚集生長，造成儀表測量失靈、塔盤堵塞及塔盤壓差增大等現象，甚至脹破設備、閥門或管道，且該聚合物極不穩定，在遇明火、碰撞、過熱、摩擦等情況下存在爆炸危險。有文獻表明，氧和過氧化物“活性中心”是誘發1，3-丁二烯聚合的最主要因素，除此之外，光、鐵銹及雜質、過高的溫度等也可促進1，3-丁二烯的聚合。

（二）防聚措施

基于1，3-丁二烯的上述特性，工程設計時通常采取以下措施限制其聚合：

1.嚴格控制系統中的氧含量并進行實時監測，采取措施限制外界的氧氣滲入到系統內部，如法蘭（包括人孔法蘭）連接的密封墊片選用密封所需預緊力較大的柔性石墨-不銹鋼齒形復合墊片。此外，由于外界氧可通過石棉墊片內部孔隙擴散到系統內，PTFE 材質可誘發1，3-丁二烯聚合，因此對于1，3-丁二烯濃度較高的設備在進行工程設計時，密封墊片通常禁用石棉墊片和PTFE 墊片；

2. 選擇合適的注入方案注入TBC 阻聚劑對游離基進行捕捉，使“活性中心”喪失活性，進而阻斷過氧化物的聚合；

3. 在不影響萃取效果的前提下盡可能的降低設備的操作溫度；

4.設備內表面及內構件應徹底除銹，并去除油污、雜質，內構件表面應保證光滑無毛刺，焊縫須打磨圓滑，所有接管內緣應倒圓角處理；

5.盡可能的減少設備的結構死區，如介質不流通的儀表口處，宜采用凸緣法蘭結構；

6.開工前設備須采用亞硝酸鈉溶液進行全充液鈍化，抑制丁二烯在設備表面聚合。

二、高聳塔器抗橫風向振動設計

海南煉化100 萬噸/年乙烯項目地處沿海強風帶，基本風壓達834N/m2，且為臺風多發地區，而丁二烯抽提裝置的塔器大多為具有較大高徑比的高聳塔器，因此，為避免發生風振破壞，須考慮高聳塔器的抗橫風振設計。

（一）橫風向共振的判別

風以一定速度繞流過塔器時會出現“卡曼渦街”現象，即在塔器背后兩側會交替形成漩渦并以一定的頻率脫落，當該頻率與塔器的自振頻率接近或一致時，會誘發塔體共振，通常將塔共振時的風速也稱之為臨界風速Vi。工程上一般認為當塔頂風速V 滿足V1≤V＜V2時，設計時應考慮塔器的一階振型的振動，當V≥V2時，則應同時考慮一階和二階振型的振動。

（二）橫風向振動誘發的疲勞計算

在計算風載荷對塔器的作用時，順風向的振動一般按靜力學考慮，即只要計算截面處由各載荷引起的總彎曲應力小于材料的許用應力值，就認為塔體是安全的。而橫風向振動破壞的失效模式主要是疲勞破壞，即使計算截面處的應力水平遠低于材料的許用應力值，也可能會導致塔體的破壞。目前，由于NB/T 47041-2014《塔式容器》并未涉及振動誘發的疲勞計算，因此，在按上述判定塔器存在橫風向振動破壞風險時，塔體計算除須滿足《塔式容器》外，還應對各危險截面進行疲勞校核。因此，共振時塔體各危險截面須滿足材料的交變應力幅與循環次數關系，即S-N 疲勞曲線。疲勞核算可按如下步驟進行，且疲勞核算應至少包括裸塔、空塔和正常操作三個工況：

1.共振時，橫風作用于塔體計算截面處的彎曲應力為：

w——計算截面的抗彎模量，mm3。

計算截面應至少包括裙座與底封頭連接截面、錐形過渡段大小端、不等壁厚處的殼體環焊縫截面等結構不連續處。

2.橫風振交變應力幅：

式中：Kf——疲勞強度減弱系數，可按ASME 選取。疲勞強度減弱系數Kf是計及局部結構不連續（應力集中）對疲勞強度影響的應力強度系數，即已考慮應力集中的影響。但對于存在較大應力集中現象或可能存在較大安全隱患的重要部位或焊縫，可將應力集中系數Kc納入式（2）進行計算，即：

3.交變應力幅作用下的設計許用循環次數可根據式（4）～（6）計算：

式中：C1～C11疲勞曲線系數；

Cus——轉化系數，Cus=6.894757；

EFC——設計溫度下材料的彈性模量，GPa；

ET——使用溫度下材料的彈性模量，GPa。

原則上，若根據上述步驟計算得到的循環次數N 能滿足設計年限內的使用要求，則認為塔體具有較好的抗橫風振疲勞性能，可不另行采取抗橫風減振措施。但是，工程上為安全起見，循環次數通常按無限次考慮，即：若按式（2）或（3）計算得到的交變應力幅小于材料的疲勞極限，則認為塔體具有較好的抗橫風振疲勞性能，否則認為塔體抗橫風振疲勞性能較差，須參照上述設置專門的抗橫風減振裝置，并重新進行疲勞校核，直至校核通過。

（三）抗橫風向振動的措施

在工程設計中，通過采取調整塔高、塔徑、塔盤數量或填料層的分布、附塔操作平臺的位置等方法來改變塔體的阻尼往往難度較大，會導致工藝、管道、儀表、結構等多個設計專業調整或修改自己的設計方案，因此，上述方法通常可行性不高。當按上述判定塔體抗橫風振疲勞性能較差又無法采取上述方法時，可以采取以下措施來防范或限制塔體的橫風向振動破壞：

1. 在塔頂不少于1/3 高度范圍內設置軸向型或螺旋形翅片擾流器，以螺旋形效果為佳。該方法已廣泛應用于高聳塔器、煙囪等的抗橫風向振動，其原理是將垂直作用于塔體的風載荷轉變為軸向、環向的載荷，從而達到擾亂“卡曼渦街”的目的。螺旋形翅片擾流器在成本控制方面具有較大優勢，但其制造、安裝難度較大，尤其是對于直徑較大的塔器，其翅片寬度大，給管道、操作平臺及鋼直梯等設計、安裝造成諸多不便。另外，特別需要注意的是，按NB/T 47041-2014《塔式容器》的計算方法對設置翅片擾流器的塔體進行強度計算時，得到的結果可能是不可靠的，一是由于安裝翅片后，塔頂1/3高度范圍內的迎風面積會顯著增大，二是體型系數K1 會遠遠大于標準中給定的0.7。這些會導致設置了翅片擾流器的塔體各計算截面處的順風向彎矩遠大于未設置翅片擾流器的，從而進一步導致某些計算截面處的軸向組合拉應力校核不合格。

2.在塔頂區域設置調頻質量阻尼器，其原理通過在振動主體上設置一個質量系統來吸收或轉移主體的振動能量，從而達到抑制主體振動的目的。阻尼器在高層建筑及高聳鋼結構上已有廣泛的應用。近年來，為滿足不斷提升的產能需求，塔器的高度和直徑也日益增大，高聳塔器的比例也在急劇增加，風振誘發的高聳塔器破壞的案例也時有發生。為此，國內一些工程公司開始將改進后的機械式調頻質量阻尼器應用到石化行業的高聳塔器上，且取得了不錯的減振效果。該阻尼系統主要由支架、鋼繩、質量環、隔振器及其支座構成（見圖1），通過質量環來吸收塔體的振動能量，質量環重量一般不超過塔器本體重量的2%。為防止質量環與塔器發生碰撞，通常在塔體四周設置四組隔振器。此外，該阻尼減振系統還配備了振動監測裝置，可實時監測塔頂的振動情況，并記錄振動次數和幅值等數據，為設備的安全預警、風險評價等提供數據支持。

圖1 機械式調頻質量阻尼器示意圖

3.增加塔體壁厚可減小塔的自振周期，同時也可以增大計算截面的抗彎模量，從而降低共振時橫風作用于計算截面處的彎曲應力水平，提高塔體抗橫風向振動性能，但增加壁厚也會大大增加塔器尤其是大型塔器的材料、制造、檢驗、吊裝等諸多環節的成本。

4.其它如采用低密度、高彈性模量的材料來減小塔體自振周期；小直徑的細高塔器可以采用整體框架支撐結構；在場地允許的情況下設置鋼繩牽引等方法，也可為工程設計人員解決高聳塔器風振問題提供一種設計思路。

（四）抗橫風向振動的相關技術要求

對按上述判定存在橫風向振動破壞風險的塔器，在設計時應盡量減少結構的不連續，提高焊接接頭的制造及檢驗要求，來達到降低疲勞強度減弱系數的目的：

1.錐形過渡段大小端應采用帶折邊結構，且宜由一種厚度組成；

2.殼體（含裙座殼體）的對接環焊縫內外表面宜打磨余高至與母材齊平，并進行100%RT 檢測，檢測技術等級為AB 級，合格級別為II 級；

3. 錐形過渡段大小端與筒體的對接接頭及不等壁厚殼體的對接接頭須進行100%RT+100%UT 檢測，RT 檢測技術等級為AB 級，合格級別為II 級；UT 檢測技術等級為B 級，合格級別為I 級。上述焊接接頭表面還須進行100%MT（PT）檢測，I 級合格；

4.底封頭與裙座的焊接宜采用圖2（a）或2（b）所示結構，對接接頭應進行100%RT 檢測，檢測技術等級為AB 級，合格級別為II 級，其它型式焊接接頭宜進行100%超聲檢測，檢測技術等級為B 級，合格級別為I 級。所有焊接接頭表面還應進行 100%MT 檢測，I 級合格。

圖2 底封頭與裙座的連接

5.其它相關技術要求還包括：塔體1/2 高度以上部位不宜設置聯合平臺；塔器安裝就位后，應及時安裝塔內件、操作平臺、附塔管線等，避免裸塔、空塔長時間現場聳立。

三、結語

1.通過對主要操作介質1，3-丁二烯易于自聚特點的探討，提出了設計過程中須注意的事項以及應采取的防聚措施；

2.為避免高聳塔器出現橫風向振動疲勞破壞，提出對存在橫風向共振風險的高聳塔器應進行疲勞校核，對抗橫風振疲勞性能較差應塔器應采取專門的抗風減振措施。

通過上述討論，為后續同類裝置的塔器設計提供一些思考和啟發。