独立支撑立式再沸器管道应力分析的注意事项

陈金亮（中石化南京工程有限公司 管道工程室，江苏 南京210046）

0 引言

塔底再沸器（也称重沸器）是化工常用设备，用来气化一部分液相产物返回塔内作气相回流，使塔内气液两相间的接触传质得以进行，同时提供蒸馏过程所需的热量[1]。在实际工程中，再沸器形式多种多样。其中有一种是热虹吸式再沸器，它又分为立式和卧式两种。立式热虹吸式再沸器的结构简单，布置在塔测，管道布置紧凑，一般再沸器的气相出口与塔的气相入口用直管段带两片法兰直接相连，使得管道柔性差，这就给管道应力分析工作提出了更高的要求。本文以独立支撑结构的立式热虹吸式再沸器（以下简称再沸器）相连管道的应力分析为例，详细讨论应力分析工作中的注意事项。

1 管道应力分析的任务

塔底再沸器相连管道的应力分析工作要完成下列任务：

（1）计算管道中的应力并使之满足标准规范的要求，保证管道自身的安全（包括对安装工况、正常操作工况、最大操作工况、最小操作工况、开停车工况以及偶然工况等的管道应力校核，法兰泄露校核等）；

（2）计算管道对塔和再沸器管口的作用力，并使之满足标准规范的要求，保证设备的安全。管道作用在塔和再沸器管口的荷载不应超过设备制造商或设备专业规定的允许值，若设备制造商或设备专业未提出限制性要求，则应将计算得到的管口受力提给设备专业进行有限元分析校核；

（3）计算管道和设备热位移，为弹簧支架的选型提供依据。在进行上述分析的过程中，应该根据实际情况对不同的方案进行对比，在满足安全的前提下，选取最优方案[2]。

2 方案选择及其优缺点

在收到上游专业的条件后，对再沸器的布置进行分析，其典型立面布置如图1所示。

图1中L1是塔底部裙座的高度，L2是塔裙座顶到塔气相进口中心线的高度，L3是再沸器上管板顶到上管箱气相出口中心线的高度，L4是再沸器壳程筒体支座底部到上管板顶的高度。其中L1和L2由工艺专业设计而定，L3由设备专业设计而定，一般这三个参数都是固定的已知量。L4可以根据管道应力分析的要求在允许的范围内进行调整。在特定的温度工况下，上述四个长度对应的热膨胀量分别为ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4。一般来讲塔底部裙座的热膨胀量ΔL1的数值会比较小，很多管道应力分析工程师会将其忽略不计，这会影响到分析结果的准确性，有可能会得到偏不安全的结果。为了避免这种情况发生，应对其加以考虑，具体的计算方法参见《压力管道应力分析（第二版）》第4 页[2]。在得到上述四个热膨胀量后的关键工作是把ΔL1+ΔL2与ΔL3+ΔL4的大小进行对比，根据不同的对比结果采取不同的措施，以确保管道应力以及塔和再沸器的管口受力都在允许的范围内。

图1 独立支撑结构立式再沸器的典型立面图

2.1 采用刚性支撑

当通过调整再沸器支座的高度可以满足ΔL1+ΔL2=ΔL3+ΔL4时，可以直接将再沸器支撑在钢结构框架上。在调整再沸器支座的高度时要注意以下几点：

（1）支座一般设置在设备重心的上方；（2）支座的设置不和其他管口及配管发生干涉；（3）当壳程筒体上有膨胀节时，支座应设置在膨胀节的上方；（4）在条件允许的情况下，支座的方位宜按图2设置。

在确定采用此方案可行后，要将以下几个条件提给设备专业，由其对再沸器设备图纸进行修改：

（1）调整后的支座高度条件；（2）调整后的支座方位条件；（3）支座开孔条件。

图2 独立支撑结构立式再沸器的典型平面图

如图2所示，再沸器的四个支座中最右边的一个位移最大，其位移量应为L5和RE对应的热膨胀量ΔL5和ΔRE之和。四个支座的开孔长度最短为：ΔL5+ΔRE+4mm+螺栓直径。应该在设计的安装图纸中明确注明螺栓相对于开孔的安装位置，并要求螺栓不能拧紧，以确保再沸器能够滑动并有足够的滑动空间。当ΔRE值较大时，应考虑增加上下两个支座开孔的宽度。一般为了减小塔和再沸器管口所受到的推力，会在支座和钢结构框架之间增设聚四氟乙烯垫板摩擦副，增设的这些摩擦副也要进行相应开孔。当能判断将再沸器直接放在钢结构框架上足够稳定时，可以考虑采用图2中（b）的支座支架形式，这样设计和安装都比较简单，能很好的避免设计和安装错误。

2.2 采用弹簧支撑

当通过调整再沸器支座的高度无法满足ΔL1+ΔL2=ΔL3+ΔL4时，就要考虑采用弹簧支架将再沸器支撑在钢结构框架上。

此方案对CAESAR II 建模要求较高，工况组合应包括安装工况、正常操作工况、最大操作工况、最小操作工况、开停车工况以及偶然工况。为了保证弹簧选型的准确，在建模时需要特别注意：（1）要精确模拟再沸器的空重，同时应将壳程进出口相连管道模拟到模型中；（2）向工艺专业了解正常、最大和最小操作工况（因已经考虑了空重工况，所以最小操作工况也可以不考虑），并索取不同操作工况下管程和壳程介质的工艺参数，再根据设备图纸分别计算出各个工况下的介质重量并模拟到模型中。管程工艺介质会有两相流的存在，在计算其重量时要力求准确。壳程热载体（此处以蒸汽考虑）中不仅包含蒸汽还包含冷凝液，冷凝液的重量一般比较大，一定不能漏算；（3）当设备图中标明金属温度时，应采用此数据进行建模，一般金属温度会与工艺温度有所不同。

模型建好后，应综合考虑各个工况下的塔和再沸器管口受力大小（主要是最大操作工况和开停车空重工况），以确定弹簧的型号及载荷。当最大操作工况和开停车空重工况下的塔和再沸器管口受力都满足要求时，可以直接选用普通的坐式弹簧。当无法使最大操作工况和开停车空重工况下的塔和再沸器管口受力同时满足要求时，应尽量考虑使最大操作工况下的设备管口受力满足要求。这时，如果ΔL1+ΔL2<ΔL3+ΔL4，即弹簧热位移向下，可以安装限位螺栓并定位在弹簧行程指针的冷态位置，限制弹簧在开停车空重工况下向上移动，以使得该工况下的设备管口受力满足要求；如果ΔL1+ΔL2>ΔL3+ΔL4，即弹簧热位移向上，可以安装限位螺栓，其定位位置要随着开停车工况的温度变化而调整，以使得该工况下的设备管口受力满足要求，这种情况要求比较复杂，应尽量通过调整支座高度避免这种情况的发生。

2.3 优缺点对比

方案2.1 的优点是设备安装方便且牢固稳定，节省费用。其缺点是当运行工况复杂多变时，会导致ΔL1+ΔL2和ΔL3+ΔL4的大小频繁变化，使得塔和再沸器管口受力可能超过允许荷载，造成法兰泄露甚至设备破坏。

方案2.2的优点是对运行工况复杂多变不敏感，适应性广。其缺点是增加了弹簧的费用，设备安装相对不方便，运行时需要关注弹簧的热位移情况。

3 结语

本文就再沸器相关的复杂应力状态进行了分析。应力分析工程师应更加全面地解被分析对象的尺寸参数、工艺参数、介质属性以及各种工况等，并准确地将其模拟进CAESAR II 模型中，以得到准确的分析结果，从管道应力分析的角度确保被分析对象的安全平稳运行。