齊衛(wèi)剛,盧亞舟

(1.中石化廣州(洛陽(yáng))工程有限公司,廣東 廣州 510630;2.中國(guó)科學(xué)院地球物理化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510630)

在煉油、化工行業(yè)中,塔器用于蒸餾、吸收和解吸等物理分離過(guò)程。塔器需要與回流罐、重沸器及冷卻器等多種設(shè)備緊密相連,使得塔體管道復(fù)雜[1],將針對(duì)某150萬(wàn)t/a芳烴聯(lián)合裝置中的抽余液塔區(qū)管道的布置和優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 裝置概況

1.1 工藝流程簡(jiǎn)介

圖1所示為抽余液塔系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖:抽余液經(jīng)過(guò)進(jìn)料換熱器換熱到泡點(diǎn)溫度進(jìn)入抽余液塔,塔頂氣相一部分進(jìn)入抽余液塔頂空冷器,一部分進(jìn)入熱媒水換熱器,經(jīng)過(guò)換熱后進(jìn)入抽余液塔回流罐。塔底解吸劑在重沸器和輔助重沸器的加熱作用下氣化返塔,解吸劑釜液經(jīng)泵增壓后,進(jìn)入吸附塔。

圖1 抽余液塔系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

1.2 平面布置

塔與其關(guān)聯(lián)設(shè)備如進(jìn)料加熱器、非明火加熱的重沸器、塔頂冷凝冷卻器、回流罐、塔底抽出泵等,宜按工藝流程順序(圖1),在不違反“防火規(guī)范”的條件下,盡可能靠近布置。抽余液塔區(qū)平面布置圖如圖2所示。

圖2 抽余液塔區(qū)平面布置圖

兩個(gè)重沸器構(gòu)架關(guān)于抽余液塔對(duì)稱布置,整齊而美觀。同時(shí)考慮到將塔的運(yùn)輸路線和裝備塔內(nèi)構(gòu)件(塔盤(pán)等)進(jìn)出的空間,將塔器和立罐布置于緊挨道路的一側(cè),方便運(yùn)輸、操作和檢修。抽余液塔分餾構(gòu)架布置于管橋西側(cè),抽余液塔塔頂空冷器對(duì)稱地布置于伸縮縫兩側(cè)。整個(gè)分區(qū)呈正方形,設(shè)備布置緊湊有序,充分利用了空間。

1.3 相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

抽余液塔的直徑達(dá)到10 700 mm,切線高64 900 mm,采用91層高效多溢流(MD)塔板,其管道工藝數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 抽余液塔管道工藝數(shù)據(jù)表

通過(guò)上述描述和相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)可知,抽余液塔區(qū)管道具有管徑大,管道分支多,管道自身荷載大,設(shè)計(jì)溫度高等特點(diǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題,本文將以抽余液塔塔頂氣相線和重沸器返回線為例,對(duì)大管徑管道的設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 塔頂氣相管道設(shè)計(jì)

根據(jù)要求,塔頂至冷換設(shè)備間的管道應(yīng)布置成“步步低”,不得出現(xiàn)“液袋”。塔頂氣相管道至多臺(tái)并聯(lián)的冷換設(shè)備時(shí),應(yīng)對(duì)稱布置,避免偏流。塔頂氣相管道布置如圖3所示。

圖3 抽余液塔頂氣相管道模型

2.1 附塔部分管道設(shè)計(jì)

附塔管道在塔上的垂直管段長(zhǎng)度為52 m,水壓試驗(yàn)荷載重151 300 kg,操作荷載重49 000 kg,遠(yuǎn)超出普通支架所涵蓋的支架允許荷載的范圍,管道需要在地面做水壓試驗(yàn),最后一道焊縫做100%射線探傷。塔頂管道的第一個(gè)承重支架,在保證不影響設(shè)備焊縫的前提下,應(yīng)設(shè)在距塔體上封頭焊縫以下最近的部位。承重支架后需加導(dǎo)向支架,設(shè)置原則按一個(gè)承重一個(gè)導(dǎo)向的原則,一般按:承重-導(dǎo)向-彈簧-導(dǎo)向-彈簧-導(dǎo)向的原則設(shè)置支架。如圖4所示,節(jié)點(diǎn)A處設(shè)置承重支架,下面設(shè)置導(dǎo)向支架,節(jié)點(diǎn)D處設(shè)置彈簧吊架,后面兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置導(dǎo)向支架。

圖4 塔溫度梯度及附塔管道應(yīng)力分析圖

彈簧支架操作荷載的分配一般按以下經(jīng)驗(yàn)原則:(L表示垂直段長(zhǎng)度)

(1)當(dāng)30 m≤L≤50 m,一般設(shè)置一個(gè)彈簧支架,第一個(gè)承重支架分擔(dān)總荷載的70%,彈簧分擔(dān)總荷載的30%。

(2)當(dāng)L>50m,一般設(shè)置兩個(gè)彈簧支架,第一個(gè)承重支架分擔(dān)總荷載的50%,后兩個(gè)彈簧分別分擔(dān)總荷載的25%。

抽余液塔氣相管道附塔長(zhǎng)度為52 m,考慮設(shè)置一個(gè)彈簧支架,彈簧荷載取管道30%操作重,為16 000 kg。同時(shí)由于管道直徑較大,其承重支耳和管托重量較大,選用彈簧時(shí)一定要考慮到管道支架或支耳本身的重量,這樣選出的彈簧特殊支架才接近實(shí)際的受力情況。彈簧的位移可以利用塔的熱脹量-管道的熱脹量求得,熱脹量的計(jì)算公式如下[3]:

△t=L·at△T=L·et

(1)

式中:△t——管系的熱脹量,mm;

△T——管系的溫升,℃;

L——管系的長(zhǎng)度,m;

at——線膨脹系數(shù),由20 ℃至t℃的每溫升1 ℃的平均線膨脹量,mm/(m·℃);

et——單位線膨脹量,由20 ℃至t℃的每米熱膨脹量,mm/m。

根據(jù)塔上相應(yīng)高度管道的溫度值模擬出塔的溫度梯度,并設(shè)計(jì)管線上支架的設(shè)置位置見(jiàn)圖4,設(shè)備及管道上兩節(jié)點(diǎn)間的熱脹量的計(jì)算見(jiàn)表2～3。線脹系數(shù)是根據(jù)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的操作溫度值,用插值法算出。

表2 設(shè)備相應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的位移

表3 管道相應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的位移

D點(diǎn)彈簧位移:Δ=Δ1+Δ2+Δ3-Δ4=6.52 mm,位移向上。

在設(shè)置導(dǎo)向支架時(shí),考慮到垂直管段需要吸收水平段管道的位移,最后一個(gè)導(dǎo)向支架距水平管道宜不少于H/3(H表示管道跨距)。但是因?yàn)閆向水平段管道太長(zhǎng),H/3長(zhǎng)的垂直管段并不能吸收水平段位移,所以要求導(dǎo)向支架既允許管道垂直移動(dòng),又要允許管道水平移動(dòng),因此只在X軸方向設(shè)置導(dǎo)向支架。

2.2 分餾構(gòu)架部分管道設(shè)計(jì)

圖5為氣相管道分餾構(gòu)架部分的應(yīng)力分析圖,由于抽余液塔在熱態(tài)情況下,整體向上熱脹,帶動(dòng)管道整體向上移動(dòng),此時(shí)生根在管橋和構(gòu)架上的1～3節(jié)點(diǎn)脫空,應(yīng)該考慮設(shè)置彈簧支架,保證熱態(tài)情況下對(duì)管道起到支撐作用。由于7～11點(diǎn)都是剛性支撐,在熱態(tài)的情況下,管道向上熱脹,這樣節(jié)點(diǎn)4～6在抽余液塔的提拉之力和下方管道的熱脹之力下全部脫空,4個(gè)DN1500的蝶閥的重量全部落在三通的位置,使得三通位置處應(yīng)力超標(biāo),通過(guò)在節(jié)點(diǎn)4～6設(shè)置彈簧支架是一種解決方法,但是這樣帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題:

圖5 塔頂氣相管線應(yīng)力分析圖

(1)雖然彈簧支吊架的使用可以達(dá)到增加管道柔性的目的,可以明顯降低管道的應(yīng)力,但是在水平方向上易受到介質(zhì)沖擊或風(fēng)載荷而引起擺動(dòng)[2]。

(2)節(jié)點(diǎn)4和5的位移不同,分別為5.5 mm和2.7 mm。由于熱態(tài)下位移不同使得彈簧附近的法蘭在扭矩的作用下,可能出現(xiàn)泄露風(fēng)險(xiǎn),其操作工況下4個(gè)蝶閥的法蘭校核結(jié)果如表4所示:

表4 法蘭校核結(jié)果

通過(guò)以上的分析,目前的管道規(guī)劃雖然可以滿足應(yīng)力要求,但是整個(gè)管系的穩(wěn)定性不足,且4個(gè)DN1500蝶閥附近法蘭校核不合格,存在泄露風(fēng)險(xiǎn),需要在蝶閥附近設(shè)置剛性支架,減少法蘭泄露風(fēng)險(xiǎn)及增強(qiáng)管系穩(wěn)定性。因此可以通過(guò)向+Z方向拉一段距離,使得節(jié)點(diǎn)10～12能夠在熱態(tài)下在構(gòu)架頂端坐住,以增加整個(gè)管系的剛性和穩(wěn)定性。優(yōu)化后的管道如圖6所示,通過(guò)+Z方向走的直管段,使得節(jié)點(diǎn)10～12處可以直接采用剛性支架生根于構(gòu)架,減少了法蘭泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 塔頂氣相管道優(yōu)化應(yīng)力分析圖

由于進(jìn)入熱媒水換熱器的總管長(zhǎng)達(dá)35 m,管道在X方向的熱脹量較大,使得兩端換熱器管嘴力和力矩過(guò)大,因此在XZ平面內(nèi)增加一個(gè)“π”形補(bǔ)償器,以吸收X軸和Z軸的管道熱脹量。在靠近換熱器入口管嘴處節(jié)點(diǎn)19設(shè)置彈簧支架,一方面分擔(dān)管嘴承重,另一方面通過(guò)彈簧吸收換熱器管嘴熱位移而產(chǎn)生的形變,減少管嘴處產(chǎn)生的作用力和力矩,更好地保護(hù)管嘴。

法蘭泄露校核:

由于管道熱脹或冷縮對(duì)其所連接的設(shè)備可能產(chǎn)生較大的作用力和力矩。對(duì)于管道設(shè)計(jì)而言,應(yīng)防止這些力和力矩引起法蘭泄漏,設(shè)備變形和局部應(yīng)力的增大,因此還要對(duì)設(shè)備管嘴承受的載荷進(jìn)行校核和對(duì)法蘭泄漏進(jìn)行校核[4-6]。為了校核法蘭是否泄漏,可以將法蘭所承受的外力和力矩按照下列公式折合為計(jì)算壓力(P)[3]:

P=16M×1 000(πD3)+4F/(πD2)

(2)

式中:P——壓力,MPa;

M——法蘭承受的彎曲力矩,N·m;

Mx——法蘭在某一方向承受的彎曲力矩,N·m;

My——法蘭與上述方向的垂直方向和所承受的彎曲力矩,N·m;

F——法蘭所承受的拉力(不包括內(nèi)壓產(chǎn)生的拉力),N;

D——墊片的計(jì)算直徑;mm。

法蘭的計(jì)算壓力為:

P計(jì)算=P設(shè)計(jì)+P

(3)

將計(jì)算壓力與材料的溫壓曲線進(jìn)行對(duì)比,就可以判斷法蘭是否有泄漏風(fēng)險(xiǎn),一般的P計(jì)算/P溫-壓<1則說(shuō)明法蘭沒(méi)有泄漏風(fēng)險(xiǎn)。如表5所示,通過(guò)改變管道走向使得法蘭的校核比率皆小于1,說(shuō)明法蘭沒(méi)有泄漏的危險(xiǎn)。

表5 法蘭校核結(jié)果對(duì)比

3 塔底重沸器管道設(shè)計(jì)

3.1 裙座高度的確定

在實(shí)際工程中,塔器通常是用裙座固定在地面基礎(chǔ)上的,當(dāng)塔底出口管與泵相連接時(shí),塔的裙座高度應(yīng)大于泵的必需汽蝕余量的要求,其確定方法如圖7所示。

圖7 塔的裙座高度

裙座高度:

H=h1+h2+h3+h4

(4)

式中:h1——管橋側(cè)梁標(biāo)高;

h2——塔底管道彎頭高度;

h3——預(yù)留給設(shè)備專業(yè)焊接用的直管段,通常取300～400 mm;

h4——塔底封頭高度,規(guī)劃初期可按長(zhǎng)半徑橢圓封頭考慮。

經(jīng)過(guò)規(guī)劃,塔底抽出線走第二層側(cè)梁(EL+7 500 mm),經(jīng)過(guò)以上公式計(jì)算,抽余液塔的裙座高度H確定為EL+11 500 mm,高于工藝要求的最低裙座高度EL+11 000 mm。再根據(jù)塔底重沸器的熱虹吸高度要求就可以確定重沸器的支撐高度,進(jìn)一步確定重沸器構(gòu)架的層高。

3.2 立式重沸器管道設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求,重沸器進(jìn)出口管道在滿足柔性的條件下,應(yīng)使管道盡量短,彎頭數(shù)量少,以減少壓降,塔底的重沸器的管道走向及應(yīng)力分析如圖8所示。

圖8 重沸器管道應(yīng)力分析圖

在熱態(tài)情況下,塔器和立式重沸器都向上運(yùn)動(dòng),使得生根于構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)①脫空,需要彈簧支架,同時(shí)由于管徑太大,要在節(jié)點(diǎn)①處設(shè)低摩擦滑動(dòng)支架,減小管道熱脹的阻力,方便管道在X軸向自由熱脹,減小摩擦力對(duì)管嘴的影響。而節(jié)點(diǎn)②在塔和重沸器固定點(diǎn)以下,所以其位移方向是向下,需要設(shè)置位移向下的彈簧,在起到支撐作用的同時(shí)也不阻礙其在-Y方向的移動(dòng)。同時(shí)由于塔的固定點(diǎn)低于立式重沸器的固定點(diǎn)(塔的裙座為EL+11 500,立式重沸器生根于EL+12 500平臺(tái)),塔的熱脹量大于重沸器的熱脹量,因此立式重沸器需要采用位移向上的彈簧支撐。

3.3 輔助重沸器管道設(shè)計(jì)

輔助重沸器是臥式重沸器,有兩個(gè)返回口,且介質(zhì)為氣液兩相流流體,為盡可能減少偏流,使工藝介質(zhì)均勻地返回抽余液塔,在設(shè)計(jì)返回管道時(shí)一定要對(duì)稱布置。重沸器返回口管道走向及應(yīng)力分析如圖9所示,結(jié)合圖9對(duì)返回口管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析:

圖9 輔助重沸器管道應(yīng)力分析圖

由于臥式重沸器離抽余液塔距離比較遠(yuǎn),X軸向的管道較長(zhǎng),而立管無(wú)法吸收這一部分管道的熱脹量,使得重沸器和塔的返回口受力超標(biāo),因此考慮在XZ平面內(nèi)布置“π”型補(bǔ)償器來(lái)增加管道柔性,吸收X軸的熱脹量。在熱態(tài)情況下,抽余液塔的重沸器返回口向上移動(dòng),導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)①和節(jié)點(diǎn)②脫空,需要在此設(shè)置位移向上的彈簧支撐。

為了增加管道的穩(wěn)定性,管道從重沸器返回口出來(lái)后,需要向-X方向走一段距離,使得節(jié)點(diǎn)③能夠直接采用剛性支撐在構(gòu)架上坐住,以此來(lái)增加管道的剛性。由于與重沸器返回口相連的垂直段管道長(zhǎng)度較大,整個(gè)垂直管道的重量都作用在重沸器返回口上,導(dǎo)致其管嘴Y向受力過(guò)大,因此考慮在垂直管道節(jié)點(diǎn)④處設(shè)置彈簧支撐,來(lái)分擔(dān)管嘴的受力。

通過(guò)以上布置發(fā)現(xiàn)臥式輔助重沸器整體管道較長(zhǎng),彎頭較多,可能會(huì)造成管系壓降較大,使得汽化后的氣液兩相返塔困難,應(yīng)及時(shí)反饋給工藝專業(yè),讓其校核壓力降。經(jīng)過(guò)工藝專業(yè)的校核,輔助重沸器的壓力降符合工藝要求。

4 結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)要介紹了某150萬(wàn)t/a芳烴聯(lián)合裝置中的抽余液塔區(qū)的平面布置、管道布置及支架設(shè)置,并對(duì)其設(shè)計(jì)依據(jù)和理念進(jìn)行分析和探討。得出以下結(jié)論:抽余液塔作為整個(gè)全廠最大的設(shè)備,與其關(guān)聯(lián)的管道普遍都具有管徑大,跨距長(zhǎng),荷載大,分支多,設(shè)備管嘴受力大等特點(diǎn),其平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)裝置的生產(chǎn)運(yùn)行有著重要作用。對(duì)于管道專業(yè)來(lái)說(shuō),在滿足工藝條件的要求下,通過(guò)合理的平面布置,管道柔性設(shè)計(jì)以及支架的設(shè)置,可以有效地增加管道穩(wěn)定性,降低管道對(duì)設(shè)備管嘴的作用力和力矩,增加滿足其受力要求,確保抽余液塔長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。芳烴聯(lián)合裝置采用UOP工藝包,其抽余液的設(shè)計(jì)符合一般大型煉油化工廠PX裝置處理量大,管道直徑大等典型特征,其管道設(shè)計(jì)具有一定的代表性和參考價(jià)值。