泡罩塔盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

羅嬋容,魏東波

(中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

泡罩塔盤操作穩(wěn)定、彈性較大、效率較高,在化工裝置中被廣泛采用。泡罩塔盤是一種對密封設(shè)計(jì)和工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較嚴(yán)格的塔盤,在工程實(shí)際驗(yàn)收和使用過程中,泡罩塔盤泄漏量控制不合格和布局不合適的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,由此可見,對于泡罩塔盤的設(shè)計(jì),還存在較多的認(rèn)識不足。本文結(jié)合工程實(shí)踐,簡單介紹一些泡罩塔盤的典型結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 泡罩塔盤的結(jié)構(gòu)

泡罩塔盤由泡罩、塔盤板、受液盤、降液板、塔盤支撐件(支撐圈、支撐梁等)、密封元件(密封條等)、緊固件等結(jié)構(gòu)組成(見圖1)。泡罩塔盤合理的布局和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可有效保證塔盤工藝性能,提高塔盤效率。

圖1 泡罩塔盤結(jié)構(gòu)

1.1 泡罩結(jié)構(gòu)及泡罩與塔板連接結(jié)構(gòu)

泡罩塔盤的作用原理是氣體由泡罩內(nèi)的升氣管進(jìn)入,經(jīng)泡帽與升氣管間的環(huán)形截面及回轉(zhuǎn)通道由齒縫流出,在塔盤上形成鼓泡進(jìn)行氣液傳質(zhì)。泡罩有圓形和槽型兩類,本文主要以圓泡罩結(jié)構(gòu)為例。

泡罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法繁多,為了節(jié)約成本,簡化塔盤操作性能的預(yù)測,標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10557-2021《板式塔內(nèi)件技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了DN80、DN100、DN150三種規(guī)格的圓泡帽的典型結(jié)構(gòu)和尺寸(見圖2,圖3)。

圖2 圓泡帽(DN80/DN100)

圖3 圓泡帽(DN150)

標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10557—2021在整合修訂JB/T 1212—1999《圓泡帽》后,明確泡罩升氣管與塔盤板可采用脹接固定和焊接結(jié)構(gòu),泡罩塔盤充水試漏的泄漏量控制在不超過5 mm/10 min。

圖2和圖3為升氣管與塔盤板的脹接固定結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用脹接固定時(shí),升氣管擴(kuò)口處與塔盤板應(yīng)貼緊、不漏液,升氣管擴(kuò)口處不允許有裂紋和溝槽等缺陷。

針對物料對材料有微量腐蝕的環(huán)境,為防止塔盤在操作過程中被腐蝕后升氣管與塔盤板連接處漏液,應(yīng)考慮采用焊接結(jié)構(gòu)。某專利商規(guī)定尿素裝置中處于甲銨液和尿素溶液中的316L等不銹鋼材料要考慮1 mm的腐蝕裕量,另有專利商針對尿素裝置物料介質(zhì)為甲銨液的中壓吸收塔的泡罩塔盤規(guī)定,泡罩與塔板采用圖4a、圖4b的角接焊接連接,圖4b的結(jié)構(gòu)用于塔盤板厚度不大于5 mm的泡罩塔盤連接結(jié)構(gòu)。

圖4 泡罩與塔板角接焊接結(jié)構(gòu)

對于泄漏量要求嚴(yán)格的塔盤,也建議泡罩與塔盤連接采用焊接結(jié)構(gòu)。某甲醛裝置的吸收塔,要求塔盤泄漏量控制在2 mm/h,工藝商要求泡罩與塔盤連接采用圖5所示的對接焊接結(jié)構(gòu)。

圖5 泡罩與塔板對接焊接結(jié)構(gòu)

圖4a所示的泡罩直接焊接在塔盤板上,塔盤板上焊接應(yīng)力較大,易引起塔盤板翹曲變形,焊接過程中應(yīng)考慮采用防變形措施。圖4b和圖5的結(jié)構(gòu)均為在塔盤板上沖壓出一段短節(jié),升氣管與短節(jié)角接或?qū)?可有效減小塔盤板應(yīng)力變形。

針對泡罩塔盤升氣管高度的設(shè)計(jì),應(yīng)能保證塔盤上液體不會從升氣管溢流。上面提到的中壓吸收塔,專利商確定泡罩塔盤采用DN80(NPS 3)泡罩,塔盤溢流堰高度為75 mm,要求塔盤充水試漏40 min后,塔盤板上液封高度不低于50 mm。按標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10557-2021,DN80標(biāo)準(zhǔn)泡罩的升氣管高度為57 mm,塔盤充水試驗(yàn)充水的最高高度為溢流堰和升氣管高度的較低值,故按標(biāo)準(zhǔn)泡罩的升氣管高度折算,塔盤充水試漏的泄漏量應(yīng)控制在1.75 mm/10 min,遠(yuǎn)嚴(yán)于標(biāo)準(zhǔn)的要求。在與專利商進(jìn)行澄清確認(rèn),并參考專利商的標(biāo)準(zhǔn)泡罩尺寸,將泡罩升氣管的高度增至與溢流堰同高,以保證充水試驗(yàn)時(shí)液體不從升氣管外溢。需要注意的是,升氣管高度增高后,為保證升氣管頂?shù)幕剞D(zhuǎn)面積,泡帽的深度也同樣需要增高,泡帽一般是經(jīng)過沖壓拉拔成型,泡帽高度的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮制造工藝能實(shí)現(xiàn)。在工藝性能方面,由于霧沫夾帶一般在齒縫和泡帽頂部之間的區(qū)域產(chǎn)生,較高的泡帽含有一個(gè)較長的液滴加速距離,相應(yīng)的霧沫夾帶量就會增大,較高的泡帽高度也會加大液面梯度,故此泡帽的結(jié)構(gòu)應(yīng)綜合考慮塔板的水力學(xué)性能。

1.2 泡罩塔盤板及支撐件連接結(jié)構(gòu)

泡罩塔盤按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為整塊式塔盤和分塊式塔盤。

整塊式塔盤一般用于小塔徑(DN≤700 mm)用設(shè)備法蘭連接的設(shè)備,塔盤設(shè)置高于溢流堰的塔盤圈,塔盤與塔內(nèi)壁環(huán)隙采用軟填料密封[1]。這種塔盤由于塔盤不分塊,泄漏點(diǎn)少,泄漏量易保證。

分塊式塔盤主要由塔盤板、支撐件(支撐圈、支撐梁等)和密封元件等組成(見圖6)。

圖6 分塊式塔盤

塔盤板、支撐圈和支撐梁之間的兩兩銜接處易產(chǎn)生泄漏,泄漏點(diǎn)處應(yīng)采用可靠密封,不應(yīng)使用填料和黏結(jié)劑堵漏的方法進(jìn)行密封[2]。結(jié)合各元件連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可從如下幾方面考慮采取密封措施。

(1)支撐梁連接應(yīng)盡量采用焊接,如塔盤板要保證可拆,焊接梁應(yīng)避免使用自支撐梁。支撐梁之間以及支撐梁和支撐圈之間焊接后,焊縫上表面應(yīng)磨平。當(dāng)塔盤間距較小時(shí),為保證塔盤安裝施工空間,部分塔盤支撐梁需做成可拆結(jié)構(gòu),可拆梁與相關(guān)元件(如支撐梁和支撐圈)之間表面銜接間隙應(yīng)嚴(yán)格控制,在鋪設(shè)塔盤板與支撐件之間的墊片時(shí),應(yīng)是在(支)梁上滿鋪墊片,蓋過銜接間隙,再與支撐圈/主梁上的墊片嵌合成一體,鋪上塔盤板后應(yīng)用密封板將間隙處進(jìn)行密封(見圖7)。當(dāng)采用自支撐活動梁時(shí),活動梁的折彎處、止裂孔處等地方容易形成漏點(diǎn),需要采取更嚴(yán)密的密封措施,對泄漏量要求嚴(yán)格的塔盤,如有必要,應(yīng)盡量控制活動自支撐梁的占比。

圖7 支撐梁與支撐圈連接處密封結(jié)構(gòu)

(2)當(dāng)塔盤與支撐件之間采用緊固件連接時(shí),塔盤板與支撐件之間應(yīng)采用密封帶進(jìn)行密封,密封寬度不應(yīng)小于25 mm[2]。連接螺柱可焊接在支撐件上,減少螺栓孔引起的泄漏;當(dāng)螺栓穿過支撐件上的開孔進(jìn)行連接時(shí),如通道板需采用雙面可拆結(jié)構(gòu)處,螺栓孔處需用墊片密封,NB/T 10557-2021規(guī)定墊片的開孔直徑至少應(yīng)比螺柱直徑小2 mm,SH/T 3088-2012《石油化工塔盤技術(shù)規(guī)范則》規(guī)定墊片的開孔直徑至少應(yīng)比螺柱直徑小3 mm[3],典型結(jié)構(gòu)(見圖8)。螺柱一般采用M12規(guī)格,螺紋最大螺距1.75 mm,應(yīng)采用不小于2 mm厚度的密封墊片,以保證至少能完好密封住螺紋的一個(gè)螺距。尿素裝置中壓吸收塔,專利商要求塔盤各元件之間的密封墊采用高壓縮率達(dá)55%～80%的7 mm厚膨化聚四氟乙烯墊,它能很好地密封防泄漏。

圖8 塔盤通道板雙面可拆結(jié)構(gòu)

(3)對密封要求嚴(yán)格的泡罩塔盤,支撐件之間、塔盤板與支撐件之間均可采用焊接密封,圖9為甲醛裝置的吸收塔(泄漏量控制在2 mm/h)泡罩塔盤結(jié)構(gòu)。塔盤板周邊可搭接焊接在支撐圈上(見圖10),也可采用翻邊結(jié)構(gòu)焊在塔壁上(見圖11)。翻邊結(jié)構(gòu)的弧形擾度可吸收變形,有利于保障塔盤的平整。塔盤的操作性能對塔盤的水平度和塔盤的下垂非常敏感,特別是對大直徑塔,圖9的塔盤支撐梁之間采用拉桿支撐,能更好的控制支撐梁的擾度,保證塔盤的平整度。對于整體采用焊接結(jié)構(gòu)的塔盤,塔盤內(nèi)無檢修通道,每層塔盤之間的塔壁上應(yīng)設(shè)置人孔,人孔的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)保證塔盤板可通過人孔進(jìn)出?？拷丝滋幍乃P或支撐圈上應(yīng)設(shè)置排液孔,用堵頭封堵,檢修時(shí)打開人孔,取出堵頭,將物料排放干凈。此類塔盤的特點(diǎn)為,塔盤之間應(yīng)保持足夠的間距,保證開設(shè)人孔和檢修的空間。塔盤間距加大,塔的總高要增加,會使設(shè)備投資增加,研究表明,當(dāng)塔盤間距大于600 mm時(shí),塔盤處理能力隨塔盤間距增大的幅度并不明顯[4],確切的塔盤間距應(yīng)結(jié)合機(jī)械和工藝特性綜合確定。

圖9 塔盤板與支撐件之間焊接密封結(jié)構(gòu)

圖10 塔盤板搭接焊接結(jié)構(gòu)

圖11 塔盤板翻邊焊接結(jié)構(gòu)

1.3 塔盤其他結(jié)構(gòu)的連接

塔盤的受液盤、液封盤宜采用焊接結(jié)構(gòu)[2],焊接在與之相連的支撐圈上。降液板可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成固定式結(jié)構(gòu)和可拆式結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用固定式結(jié)構(gòu)時(shí),宜通過連接板與塔壁相連?？刹鹗浇狄喊迮c其連接件之間應(yīng)采用密封帶密封,密封帶及緊固件要求同塔盤板連接。

1.4 塔盤板與泡罩的排布

為充分利用塔盤面積,泡罩一般采用沿著流體流動方向,以正三角形的方式排列,這種排列最緊湊,約可多排出10%的面積[4],能使塔盤有效面積充分利用。泡帽間距與泡帽直徑的最優(yōu)比大致為1.3～1.5[4],保持泡罩外緣的間距為25～75mm[5]。在塔盤分塊處,塔盤板沿60°斜向分割[5](見圖6),有利于泡罩的排列。某吸收塔曾采用平行于流體方向的支撐梁和塔盤切割,很明顯,泡罩排布由于受支撐梁的影響,在支撐梁和塔盤分塊處間距較大,流體在此通道上易形成短路,影響塔盤效率。

2 充水試漏的試驗(yàn)要求

充水試漏是直觀有效檢驗(yàn)塔盤密封性能的方法。

表1為一些已有良好運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的泡罩塔盤的充水試漏的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,焊接泡罩、焊接梁和焊接塔板的結(jié)構(gòu)能夠很好地改善泄漏情況。

表1 已有良好運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的泡罩塔盤的充水試漏的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

除從塔盤的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)減少泄漏量外,還應(yīng)控制塔盤支撐件和塔盤本體的制造偏差。在進(jìn)行充水試漏試驗(yàn)前,檢查支撐圈、支撐梁本體的平面度以及安裝后的水平度,以及塔盤板的平面度和安裝后的水平度,合格后才能進(jìn)行泄漏試驗(yàn)。對于焊于塔設(shè)備本體的支撐件等,出廠前也應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計(jì)文件的要求進(jìn)行檢驗(yàn)合格后方能出廠,具備條件的情況下建議進(jìn)行塔盤的預(yù)組裝檢驗(yàn)。

3 結(jié)語

泡罩塔盤是一種廣泛應(yīng)用的塔盤,順應(yīng)當(dāng)前工業(yè)飛速發(fā)展及不斷出現(xiàn)的新產(chǎn)品、新工藝要求,泡罩塔盤的設(shè)計(jì)和制造工藝也需持續(xù)發(fā)展改進(jìn)。本文結(jié)合泡罩塔盤的應(yīng)用特點(diǎn),介紹了幾種有成功使用經(jīng)驗(yàn)的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),希望能對工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。