獨(dú)立支撐立式再沸器管道應(yīng)力分析的注意事項(xiàng)

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(shè)備，用來氣化一部分液相產(chǎn)物返回塔內(nèi)作氣相回流，使塔內(nèi)氣液兩相間的接觸傳質(zhì)得以進(jìn)行，同時(shí)提供蒸餾過程所需的熱量[1]。在實(shí)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(jié)構(gòu)簡單，布置在塔測(cè)，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(yīng)力分析工作提出了更高的要求。本文以獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)的立式熱虹吸式再沸器（以下簡稱再沸器）相連管道的應(yīng)力分析為例，詳細(xì)討論應(yīng)力分析工作中的注意事項(xiàng)。

1 管道應(yīng)力分析的任務(wù)

塔底再沸器相連管道的應(yīng)力分析工作要完成下列任務(wù)：

（1）計(jì)算管道中的應(yīng)力并使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證管道自身的安全（包括對(duì)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(yīng)力校核，法蘭泄露校核等）；

（2）計(jì)算管道對(duì)塔和再沸器管口的作用力，并使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證設(shè)備的安全。管道作用在塔和再沸器管口的荷載不應(yīng)超過設(shè)備制造商或設(shè)備專業(yè)規(guī)定的允許值，若設(shè)備制造商或設(shè)備專業(yè)未提出限制性要求，則應(yīng)將計(jì)算得到的管口受力提給設(shè)備專業(yè)進(jìn)行有限元分析校核；

（3）計(jì)算管道和設(shè)備熱位移，為彈簧支架的選型提供依據(jù)。在進(jìn)行上述分析的過程中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況對(duì)不同的方案進(jìn)行對(duì)比，在滿足安全的前提下，選取最優(yōu)方案[2]。

2 方案選擇及其優(yōu)缺點(diǎn)

在收到上游專業(yè)的條件后，對(duì)再沸器的布置進(jìn)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?shù)剿庀噙M(jìn)口中心線的高度，L3是再沸器上管板頂?shù)缴瞎芟錃庀喑隹谥行木€的高度，L4是再沸器殼程筒體支座底部到上管板頂?shù)母叨?。其中L1和L2由工藝專業(yè)設(shè)計(jì)而定，L3由設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)而定，一般這三個(gè)參數(shù)都是固定的已知量。L4可以根據(jù)管道應(yīng)力分析的要求在允許的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。在特定的溫度工況下，上述四個(gè)長度對(duì)應(yīng)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(shù)值會(huì)比較小，很多管道應(yīng)力分析工程師會(huì)將其忽略不計(jì)，這會(huì)影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，有可能會(huì)得到偏不安全的結(jié)果。為了避免這種情況發(fā)生，應(yīng)對(duì)其加以考慮，具體的計(jì)算方法參見《壓力管道應(yīng)力分析（第二版）》第4 頁[2]。在得到上述四個(gè)熱膨脹量后的關(guān)鍵工作是把ΔL1+ΔL2與ΔL3+ΔL4的大小進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)不同的對(duì)比結(jié)果采取不同的措施，以確保管道應(yīng)力以及塔和再沸器的管口受力都在允許的范圍內(nèi)。

圖1 獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)立式再沸器的典型立面圖

2.1 采用剛性支撐

當(dāng)通過調(diào)整再沸器支座的高度可以滿足ΔL1+ΔL2=ΔL3+ΔL4時(shí)，可以直接將再沸器支撐在鋼結(jié)構(gòu)框架上。在調(diào)整再沸器支座的高度時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

（1）支座一般設(shè)置在設(shè)備重心的上方；（2）支座的設(shè)置不和其他管口及配管發(fā)生干涉；（3）當(dāng)殼程筒體上有膨脹節(jié)時(shí)，支座應(yīng)設(shè)置在膨脹節(jié)的上方；（4）在條件允許的情況下，支座的方位宜按圖2設(shè)置。

在確定采用此方案可行后，要將以下幾個(gè)條件提給設(shè)備專業(yè)，由其對(duì)再沸器設(shè)備圖紙進(jìn)行修改：

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

圖2 獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)立式再沸器的典型平面圖

如圖2所示，再沸器的四個(gè)支座中最右邊的一個(gè)位移最大，其位移量應(yīng)為L5和RE對(duì)應(yīng)的熱膨脹量ΔL5和ΔRE之和。四個(gè)支座的開孔長度最短為：ΔL5+ΔRE+4mm+螺栓直徑。應(yīng)該在設(shè)計(jì)的安裝圖紙中明確注明螺栓相對(duì)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(dòng)并有足夠的滑動(dòng)空間。當(dāng)ΔRE值較大時(shí)，應(yīng)考慮增加上下兩個(gè)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(huì)在支座和鋼結(jié)構(gòu)框架之間增設(shè)聚四氟乙烯墊板摩擦副，增設(shè)的這些摩擦副也要進(jìn)行相應(yīng)開孔。當(dāng)能判斷將再沸器直接放在鋼結(jié)構(gòu)框架上足夠穩(wěn)定時(shí)，可以考慮采用圖2中（b）的支座支架形式，這樣設(shè)計(jì)和安裝都比較簡單，能很好的避免設(shè)計(jì)和安裝錯(cuò)誤。

2.2 采用彈簧支撐

當(dāng)通過調(diào)整再沸器支座的高度無法滿足ΔL1+ΔL2=ΔL3+ΔL4時(shí)，就要考慮采用彈簧支架將再沸器支撐在鋼結(jié)構(gòu)框架上。

此方案對(duì)CAESAR II 建模要求較高，工況組合應(yīng)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(zhǔn)確，在建模時(shí)需要特別注意：（1）要精確模擬再沸器的空重，同時(shí)應(yīng)將殼程進(jìn)出口相連管道模擬到模型中；（2）向工藝專業(yè)了解正常、最大和最小操作工況（因已經(jīng)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(zhì)的工藝參數(shù)，再根據(jù)設(shè)備圖紙分別計(jì)算出各個(gè)工況下的介質(zhì)重量并模擬到模型中。管程工藝介質(zhì)會(huì)有兩相流的存在，在計(jì)算其重量時(shí)要力求準(zhǔn)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(dāng)設(shè)備圖中標(biāo)明金屬溫度時(shí)，應(yīng)采用此數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，一般金屬溫度會(huì)與工藝溫度有所不同。

模型建好后，應(yīng)綜合考慮各個(gè)工況下的塔和再沸器管口受力大?。ㄖ饕亲畲蟛僮鞴r和開停車空重工況），以確定彈簧的型號(hào)及載荷。當(dāng)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(shí)，可以直接選用普通的坐式彈簧。當(dāng)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(shí)滿足要求時(shí)，應(yīng)盡量考慮使最大操作工況下的設(shè)備管口受力滿足要求。這時(shí)，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(tài)位置，限制彈簧在開停車空重工況下向上移動(dòng)，以使得該工況下的設(shè)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(diào)整，以使得該工況下的設(shè)備管口受力滿足要求，這種情況要求比較復(fù)雜，應(yīng)盡量通過調(diào)整支座高度避免這種情況的發(fā)生。

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

方案2.1 的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備安裝方便且牢固穩(wěn)定，節(jié)省費(fèi)用。其缺點(diǎn)是當(dāng)運(yùn)行工況復(fù)雜多變時(shí)，會(huì)導(dǎo)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(shè)備破壞。

方案2.2的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)運(yùn)行工況復(fù)雜多變不敏感，適應(yīng)性廣。其缺點(diǎn)是增加了彈簧的費(fèi)用，設(shè)備安裝相對(duì)不方便，運(yùn)行時(shí)需要關(guān)注彈簧的熱位移情況。

3 結(jié)語

本文就再沸器相關(guān)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析。應(yīng)力分析工程師應(yīng)更加全面地解被分析對(duì)象的尺寸參數(shù)、工藝參數(shù)、介質(zhì)屬性以及各種工況等，并準(zhǔn)確地將其模擬進(jìn)CAESAR II 模型中，以得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果，從管道應(yīng)力分析的角度確保被分析對(duì)象的安全平穩(wěn)運(yùn)行。