朱周軍

(鎮(zhèn)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(shè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)塔底液的加熱與循環(huán)。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(tài)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(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，如果不采取有效的消除措施，可能會使連接的設(shè)備因產(chǎn)生過大的應(yīng)力而使其變形甚至破壞，影響設(shè)備的正常運(yùn)行[1]。

圖1 再沸器流程

1 換熱器支架初定

實(shí)際工程中，塔設(shè)備通常用裙座固定在地面基礎(chǔ)上，換熱器支架一般選用剛性支架，以保證設(shè)備的穩(wěn)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(chǎn)生非常大的熱應(yīng)力，有可能造成設(shè)備變形或者破壞。因此，此處支架不應(yīng)使用剛性支架，而應(yīng)該選用彈簧支架。彈簧在受荷載時(shí)被壓縮，再沸器向下位移，垂直管線受熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)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(yīng)力分析和支架設(shè)計(jì)比較簡單，這里就不再進(jìn)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(yīng)力計(jì)算

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

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(zhì)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(jìn)口/出口)，材質(zhì)為Q345R。管線參數(shù)見表1。

表1 管線基本參數(shù)

2.2 設(shè)備及相關(guān)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(nèi)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(zhǔn)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(shè)管箱部分質(zhì)量均布，并通過調(diào)整介質(zhì)密度來控制其質(zhì)量。針對封頭部分質(zhì)量的差異，將前后封頭進(jìn)行細(xì)化分割，每一段作為剛性件(Rigid)，并且輸入該段的質(zhì)量。理論上分割越細(xì)化，設(shè)備的質(zhì)量分布越準(zhǔn)確，模擬的設(shè)備也越接近實(shí)際情況。

圖3 再沸器簡圖

根據(jù)以上思路建立應(yīng)力模型，并補(bǔ)充相關(guān)管線(見圖4)。節(jié)點(diǎn)550為整個模型的固定點(diǎn)(ANC)，各管口節(jié)點(diǎn)見表2。

表2 管口與對應(yīng)節(jié)點(diǎn)

圖4 再沸器及相關(guān)管線應(yīng)力模型

2.3 結(jié)果分析

法蘭面的泄漏校核采用Kellogg當(dāng)量壓力法：

其中：Peq為當(dāng)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(yīng)的P1)。

CAESAR II中的Flange Checks集成了該方法，以節(jié)點(diǎn)440為例，其設(shè)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(jié)果見表3。從圖中可以看出，各法蘭面的當(dāng)量壓力與許用應(yīng)力比值均在50%～60%，符合要求。

表3 法蘭校核結(jié)果

由于本案例為再沸器的更新項(xiàng)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(jì)算結(jié)果與原有彈簧支架的工作荷載和位移進(jìn)行比較，結(jié)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?yàn)榉忸^的質(zhì)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?yàn)槲挥谥Ъ躗1側(cè)的封頭為管程進(jìn)出口的位置，管線P4和P5的部分質(zhì)量作用于該側(cè)；中間支架(Z2和Z3)荷載接近，是因?yàn)楣芟洳糠仲|(zhì)量分布比較均勻。而4個支架的位移基本相同，說明設(shè)備未發(fā)生傾斜。另外，新設(shè)計(jì)的受力分配與原設(shè)計(jì)的受力分配相近。

3 支架選型與設(shè)計(jì)

從上節(jié)的分析結(jié)果可以看出，新的彈簧受力是符合設(shè)計(jì)要求的。下面以計(jì)算得到的受力和位移為依據(jù)進(jìn)行支架設(shè)計(jì)。根據(jù)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(wěn)定性，設(shè)計(jì)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(shè)備的穩(wěn)定性。

從表5可以看出，彈簧的安裝高度不一樣，因此，確定設(shè)備基礎(chǔ)高度需要特別注意。一種方法是將彈簧箱統(tǒng)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(chǔ)一樣高；另一種方法是根據(jù)彈簧箱高度調(diào)整基礎(chǔ)的高度，這樣基礎(chǔ)的高度會不一樣。選擇第一種方案，將彈簧箱高度統(tǒng)一做成1 050mm。

表5 彈簧選型

圖6 彈簧箱簡圖

另外，考慮到設(shè)備運(yùn)行初期設(shè)備的工作質(zhì)量未達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的質(zhì)量，當(dāng)彈簧裝置釋放時(shí)，可能發(fā)生向上位移的情況。為保證設(shè)備不會被彈簧推至傾斜或者由此導(dǎo)致設(shè)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(jié)語

(1)再沸器作為化工裝置中的重要設(shè)備，其工作溫度較高，必須對其相關(guān)管線進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。對于這種離塔近、管徑大且缺少自然補(bǔ)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(shè)計(jì)

(2)臥式再沸器由于封頭部分的質(zhì)量分布不均勻，導(dǎo)致每一組彈簧的受力都不一樣，在換熱器建模時(shí)，應(yīng)盡量提高模型準(zhǔn)確性，對各部分質(zhì)量進(jìn)行細(xì)化分割。應(yīng)力分析除了要計(jì)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(shí)建議對法蘭面進(jìn)行泄漏性校核。此外，設(shè)計(jì)彈簧支架時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備的穩(wěn)定性以及對安裝、運(yùn)行等工況的適應(yīng)性，例如將單個彈簧改成彈簧箱、設(shè)置限位等。