雙再沸器塔底出口管道的工藝特點(diǎn)及管道設(shè)計(jì)

徐曉媛，劉哲（天津市化工設(shè)計(jì)院，天津300193）

雙再沸器塔底出口管道的工藝特點(diǎn)及管道設(shè)計(jì)

徐曉媛，劉哲
（天津市化工設(shè)計(jì)院，天津300193）

本文以多晶硅精餾系統(tǒng)的節(jié)能改造為案例，討論了雙再沸器塔底出口管道的工藝要求和特點(diǎn)，提出了管道的布置原則以及應(yīng)用CAESAR II軟件對(duì)管道受力進(jìn)行分析的一些方法。本案例的設(shè)計(jì)思路和分析方法為工藝管道設(shè)計(jì)工作提供了參考和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

雙再沸器塔；CAESAR II；管道設(shè)計(jì)；管道應(yīng)力

管道應(yīng)力分析是壓力管道設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。隨著化工技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)化工產(chǎn)品需求的不斷增大，化工廠的規(guī)模在迅速變大。大管徑或復(fù)雜管系的高溫管道系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)，管道及支吊架的設(shè)計(jì)既要滿足工藝需要，又要滿足系統(tǒng)受力安全性、安裝可操作性等諸多因素的需要。因此，綜合協(xié)調(diào)以滿足各因素的要求成為設(shè)計(jì)中最為繁雜的工作。本文即以實(shí)際案例說(shuō)明管道應(yīng)力分析在化工工藝管道設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用。

1雙再沸器塔的工藝及特點(diǎn)

多晶硅是高能耗的化工產(chǎn)品，它是生產(chǎn)太陽(yáng)能電池及電子元件的基礎(chǔ)功能性材料，是全球光伏產(chǎn)業(yè)和電子工業(yè)的基石[1]。但是多晶硅生產(chǎn)的高能耗卻成為了光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，節(jié)能降耗成為多晶硅生產(chǎn)發(fā)展的必行之路。

在我院設(shè)計(jì)的某大型多晶硅生產(chǎn)廠中，我們對(duì)原有氯硅烷精餾工藝進(jìn)行了節(jié)能改進(jìn)。利用高壓塔（以下簡(jiǎn)稱T01塔）塔頂蒸汽作為低壓塔（以下簡(jiǎn)稱T02塔）塔釜熱源，由于T02塔頂氣相冷凝釋放的熱量（即塔頂冷凝器熱負(fù)荷）不足以補(bǔ)充T02塔釜再沸器所需熱量，且為了保證開(kāi)車或調(diào)試時(shí)T02塔的啟動(dòng)可以不依賴于T01塔的啟動(dòng)，故將T02塔的再沸器由原來(lái)的一臺(tái)增加為兩臺(tái)，其中一臺(tái)（以下稱E01）依然采用蒸汽加熱，另一臺(tái)（以下稱E02）采用T01塔頂蒸汽加熱。

本案例T02塔釜出口進(jìn)入再沸器的管道有如下特點(diǎn)：

（1）管道設(shè)計(jì)溫度160℃，進(jìn)入E01和E02的管道管徑分別為DN500mm和DN600mm，管道材質(zhì)20鋼。管徑較大，溫度較高，易在熱態(tài)產(chǎn)生較大推力。

（2）兩臺(tái)再沸器均為熱虹吸式，除保證安裝高度外，還應(yīng)盡量減小管道阻力，從而維持足夠的動(dòng)力作為熱虹吸循環(huán)的推動(dòng)力。因此，通過(guò)改變管道走向增加管道柔性時(shí)，需關(guān)注管道阻力的影響。

（3）精餾塔釜工藝物料為氯硅烷混合物，屬于易燃易爆的危險(xiǎn)化學(xué)品，遇明火、高熱時(shí)發(fā)生燃燒或爆炸。為了減少工藝泄漏點(diǎn)，安全生產(chǎn)，應(yīng)盡量避免管道補(bǔ)償器的使用。

（4）雙再沸器的工藝增加了相關(guān)管線的復(fù)雜度。與單再沸器工藝相比，必定會(huì)加長(zhǎng)再沸器和塔釜出口相連管道的長(zhǎng)度，導(dǎo)致管道軸向位移增大。如果沒(méi)有合理補(bǔ)償，則會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力超標(biāo)或設(shè)備管口力超標(biāo)。

下面我們將利用CAESAR II軟件對(duì)該管道的受力情況進(jìn)行分析。

2 CAESAR II軟件及分析要點(diǎn)

CAESARII管道應(yīng)力分析軟件是由美國(guó)COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析軟件，是進(jìn)行管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的工程工具[2]。作為業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的管道應(yīng)力分析軟件，CAESARII在國(guó)內(nèi)外都得到廣泛應(yīng)用。它既可以進(jìn)行管系的靜力分析，也可進(jìn)行動(dòng)力分析。本文僅就其靜力分析的功能模塊進(jìn)行討論。

管道靜力分析主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

（1）計(jì)算及評(píng)價(jià)管道中的應(yīng)力。主要包括一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、法蘭受力的校核，使其滿足規(guī)范要求。

（2）計(jì)算及評(píng)價(jià)與管道連接的設(shè)備管口的受力，使其滿足設(shè)備管口受力的要求。

（3）計(jì)算管道對(duì)支吊架的作用力及位移情況，為支吊架和土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)[3]。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1管道布置方案一及結(jié)果分析

管道布置嘗試采用由T02塔釜出口到再沸器E01、E02進(jìn)口的最短路線，詳見(jiàn)圖1。10節(jié)點(diǎn)為T(mén)02塔釜出口，170節(jié)點(diǎn)為再沸器E02入口，280節(jié)點(diǎn)為再沸器E01入口；140、270節(jié)點(diǎn)為彈簧支架。

方案一的CAESAR II計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。發(fā)現(xiàn)本方案管道的一次應(yīng)力與二次應(yīng)力均符合規(guī)范要求。但是對(duì)各設(shè)備的管口力都較大，主要表現(xiàn)為沿管道長(zhǎng)端方向（x軸）的力以及由該力產(chǎn)生的彎矩（z軸）過(guò)大，對(duì)塔管口還包括沿y軸方向的拉力過(guò)大。以上對(duì)設(shè)備管口的附加力已超過(guò)設(shè)備的承受力，即使通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)也不能滿足規(guī)范要求。

分析發(fā)生如上狀況的原因是管道熱漲時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向位移，沿x軸方向發(fā)生的軸向位移則最為顯著，因管道直徑較大且豎直方向管道長(zhǎng)度較短不足以補(bǔ)償該位移，故在設(shè)備管口產(chǎn)生較大的管口力和彎矩。下面我們將就方案一存在的問(wèn)題尋求解決方法。

圖1 雙再沸器塔釜出口管道CAESARII模型（方案一）

表1 方案一模型節(jié)點(diǎn)受力

3.2管道布置方案二及結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)方案一的分析得知，解決過(guò)大的管口力，關(guān)鍵要補(bǔ)償管道x軸方向的位移?？紤]到管道內(nèi)輸送介質(zhì)的危險(xiǎn)性，因此不選用補(bǔ)償器而采用管道自然補(bǔ)償?shù)姆绞?。要補(bǔ)償x軸方向的位移，可以選擇增加y軸或z軸方向的管道長(zhǎng)度。因?yàn)樵O(shè)備的安裝高度已經(jīng)限制，且為了保證熱虹吸再沸器的循環(huán)動(dòng)力，管道布置不宜產(chǎn)生向上的袋形增大阻力，故選擇增加沿z軸方向的管道長(zhǎng)度。同時(shí)，減小與管口連接的管道直管段，以使力臂減小以降低管道對(duì)設(shè)備管口的彎矩水平，使其滿足規(guī)范許用值。方案二管道走向詳見(jiàn)圖2。

方案二模型中，設(shè)備各管口即彈簧支架節(jié)點(diǎn)號(hào)不變，新增節(jié)點(diǎn)120、240為剛性支架，節(jié)點(diǎn)40模擬管道與塔壁開(kāi)孔的接觸情況。方案二的管道應(yīng)力水平均符合規(guī)范要求。且通過(guò)表2發(fā)現(xiàn)，各設(shè)備管口的受力和彎矩情況均得到明顯改善。經(jīng)設(shè)備專業(yè)核算，各管口受力滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。由于管道走向在豎直方向的總長(zhǎng)度及高度并未發(fā)生變化，管道阻力的增加僅限于水平管道的長(zhǎng)度增大和彎頭管件個(gè)數(shù)的增加，所以經(jīng)核算，相對(duì)方案一，管道增加的阻力很小，依然可以保證熱虹吸再沸器的動(dòng)力。按照方案二設(shè)計(jì)的管道系統(tǒng)現(xiàn)已安裝完成并投入生產(chǎn)，目前運(yùn)行良好。

表2 方案二模型部分節(jié)點(diǎn)受力

圖2 雙再沸器塔釜出口管道CAESARII模型（方案二）

4 結(jié)語(yǔ)

本文以多晶硅精餾系統(tǒng)的節(jié)能改造為案例，討論了雙再沸器塔釜管道的工藝要求和特點(diǎn)，提出了管道的布置原則以及應(yīng)用CAESAR II軟件對(duì)管道受力進(jìn)行分析的一些方法。在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們首先采用對(duì)工藝最有利的方案一進(jìn)行嘗試，在應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不能滿足規(guī)范要求的情況下，通過(guò)分析管線的受力情況找出主要矛盾，并在解決方法中選取對(duì)本工藝最為有利的方案二。在實(shí)際運(yùn)行中也取得了很好的效果。

工藝管道設(shè)計(jì)是一項(xiàng)繁瑣、復(fù)雜的工作，融合了工藝、管道、材料、應(yīng)力等多種專業(yè)知識(shí)。能夠了解各專業(yè)的特點(diǎn)和要求，總體考慮、協(xié)調(diào)各設(shè)計(jì)要素，將會(huì)使設(shè)計(jì)工作更加高效率、高質(zhì)量的完成。本文中提到的設(shè)計(jì)思路和分析方法為工藝管道設(shè)計(jì)工作提供了參考，淺析了綜合分析工藝管道各設(shè)計(jì)要素的方法，為設(shè)計(jì)工作提供了應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

［1］湯培平,陳云霞,徐敏,朱麗,劉宏宇,王文賓.冶金法制備太陽(yáng)能硅過(guò)程的濕法除硼研究[J].化學(xué)工程,2010,11:68-71+76.

［2］龍忠輝. CAESAR II管道應(yīng)力分析軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道,2001,03:50-53+4.

［3］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容及特點(diǎn)[J].石油化工設(shè)計(jì),2008, 02:20-24+17.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.016

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1008-1267（2016）02-0048-03

2015-11-20