淺析立式熱虹吸再沸器熱應(yīng)力及管道設(shè)計(jì)

叢 偉，韓 磊

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071)

淺析立式熱虹吸再沸器熱應(yīng)力及管道設(shè)計(jì)

叢 偉，韓 磊

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071)

立式熱虹吸再沸器是利用熱介質(zhì)在殼程提供熱量將管側(cè)工藝流體加熱沸騰的管殼式換熱器。本文介紹了立式熱虹吸再沸器的熱應(yīng)力分析及管道設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)；筆者以芳烴分離裝置為例，運(yùn)用CAESARII軟件對(duì)相關(guān)管道及設(shè)備管口進(jìn)行應(yīng)力分析。

立式虹吸式再沸器；應(yīng)力分析；管道設(shè)計(jì)

再沸器主要分為熱虹吸再沸器和釜式再沸器，熱虹吸再沸器又分為立式熱虹吸再沸器和臥式熱虹吸再沸器。其中立式是利用熱介質(zhì)在殼側(cè)提供熱量將管側(cè)工藝流體加熱沸騰的管殼式換熱器，它是自然循環(huán)的單元操作，動(dòng)力來自與之相連的精餾塔塔釜液位產(chǎn)生的靜壓頭和管內(nèi)流體的密度差。立式熱虹吸再沸器具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，釜液在加熱段的停留時(shí)間短、不易結(jié)垢、調(diào)節(jié)方便、占地面積小、設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)，在石化行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。

1 安裝方式

在石化裝置中，由于工藝上要求立式再沸器與塔的距離最小，因此立式再沸器的出口宜與塔的管口直接連接。塔設(shè)備通常是用裙座固定在地面基礎(chǔ)上，而立式再沸器的支撐通常有2種形式。較典型的支撐形式見圖1。

(a)為支撐在塔上；(b)為支撐在結(jié)構(gòu)平臺(tái)上 圖1 立式再沸器與塔布置型式

2 熱應(yīng)力分析

2.1 熱應(yīng)力對(duì)比分析

由于塔與再沸器的材質(zhì)和溫度不同，所以膨脹量不同，因而容器的管口在豎直方向上將產(chǎn)生較大的熱脹反力和彎矩，亦即在管口與容器的連接點(diǎn)將產(chǎn)生很高的應(yīng)力。如果應(yīng)力過高，超過容器管口允許受力(力矩)，很容易造成法蘭泄露，從而造成危險(xiǎn)。

(1)對(duì)于圖1(a)中所示的支撐結(jié)構(gòu)，通常將根據(jù)2臺(tái)設(shè)備的溫度、材質(zhì)等來確定再沸器支撐在塔上的位置，同時(shí)確定再沸器的支耳位置，以使A-B的膨脹量與C-D點(diǎn)的膨脹量相等或相近;如果相等(通常這難以實(shí)現(xiàn))，則支架的剛度要求很大；如果不等，通常是C-D點(diǎn)的膨脹量大于A-B的膨脹量，這時(shí)則需要選擇合適的支架型鋼，在滿足強(qiáng)度控制的前提下，同時(shí)滿足剛度的要求，即允許支架型鋼有一定的撓度，用以吸收一些熱膨脹，從而使設(shè)備口的力和力矩減小到允許的范圍內(nèi)。

(2)對(duì)于圖1(b)中所示的支撐結(jié)構(gòu)，一種做法是盡量找出再沸器上的C點(diǎn)，在這點(diǎn)上再沸器C點(diǎn)-D點(diǎn)的膨脹量等于或接近塔A點(diǎn)-B點(diǎn)的膨脹量，此時(shí)不用在支耳處設(shè)置彈簧架，但由于受系統(tǒng)穩(wěn)定性、容器設(shè)計(jì)和安裝等很多因素的限制，這一點(diǎn)通常很難做到。更好的方法是在再沸器的4個(gè)(或2個(gè))支耳處設(shè)置彈簧支架，而通過設(shè)定彈簧荷載的辦法，使設(shè)備管口處的作用力和力矩減小到允許的范圍內(nèi)，這樣就相對(duì)簡(jiǎn)單。

通過上述兩種安裝方式的熱應(yīng)力分析對(duì)比結(jié)果來看，圖1(b)的安裝對(duì)支架的剛度及擾度不存在較高要求，其設(shè)計(jì)、安裝以及后期的操作更為簡(jiǎn)便；同時(shí)隨著煉化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，相關(guān)設(shè)備的容器儲(chǔ)量也不斷增加，對(duì)于大型立式再沸器目前更多采用框架式支撐，這種支撐方式可以減少立式再沸器對(duì)塔所產(chǎn)生偏載，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了塔的穩(wěn)定性。以下將重點(diǎn)分析此類再沸器的熱應(yīng)力及配管注意事項(xiàng)。

2.2 熱應(yīng)力分析注意事項(xiàng)

由于塔與再沸器運(yùn)行時(shí)工況比較復(fù)雜，用CAESARII軟件進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)特別注意載荷工況的設(shè)定，對(duì)于框架式支撐情況，建議的荷載工況組合如下：

(1)W+P+F(SUS)為一次應(yīng)力計(jì)算工況。

(2)W+T1+P+F(SUS)為正常操作工況。

(3)W+T2+P+F(OPE)為塔正常而再沸器停工況。

(4)W+T3+P+F(OPE)為塔停而再沸器正常工況。

(5)W+T4+P+F(OPE)為設(shè)計(jì)溫度工況。

(6)W+F(SUS)為空重工況。

(7)D5-D1(EXP)為二次應(yīng)力工況。

(8)D4-D1(EXP)為二次應(yīng)力工況。

(9)D3-D1(EXP)為二次應(yīng)力工況。

(10)D2-D1(EXP)為二次應(yīng)力工況。

其中，W為管道自重(包括管重、保溫重、介質(zhì)重和剛性元件重)，P為壓力，T為溫度，F(xiàn)為集中力/力矩、冷緊、彈簧初始荷載。上述的荷載工況并非全部必須要做，這要視工藝的情況選擇。管道應(yīng)力分析時(shí)，建議設(shè)備管口使用CAESARII中心WRC297柔性管嘴來模擬，這樣可以更加真實(shí)地反映受力情況。

2.3 工程案例分析

圖2 某芳烴分離裝置立式再沸器工藝管道配管模型表1 180點(diǎn)和190點(diǎn)受力表

NodeLoadCaseFX/N.FY/N.FZ/N.MX/(N.m).MY/(N.m)MZ/(N.m)DX/mm.DY/mmDZ/mm180RigidANC4(HYD)148-877272945-4551481-0.021-0.029-0.0405(OPE)2874768082523020-212712068-0.2779.554-10.8596(OPE)50470733041335229050150.0347.780-8.9087(OCC)-1047698031121061332067110.2087.767-8.9108(OCC)205471662965-39612633320-0.1407.793-8.9069(OCC)46270961538-131400949920.0857.813-8.88910(OCC)547705045448005715038-0.0177.747-8.92611(SUS)5-16352-1215-2413-313413422-0.0410.9170.18312(SUS)3573551008-2010236977790.088-0.835-0.20813(SUS)3573551008-2010236977790.088-0.835-0.208MAX2874/L5-16352/L118252/L53020/L54009/L913422/L11-0.277/L59.554/L5-10.859/L5190RigidANC4(HYD)-148-6181-722365832-1481-0.002-0.042-0.0405(OPE)-2874-15735-8252-329339470-12068-0.05710.361-4.9136(OPE)-504-15128-3041-28696-1002-50150.0128.450-3.9937(OCC)1047-15035-3112-29184-5994-67110.0698.448-3.9958(OCC)-2054-15221-2965-282043984-3320-0.0468.452-3.9919(OCC)-462-15150-1538-28288-2829-49920.0208.461-3.97510(OCC)-547-15105-4544-29104825-50380.0038.439-4.01111(SUS)-584591215341093146-134220.0310.1900.18212(SUS)-35-15410-1008-27072-2279-77790.035-0.218-0.20713(SUS)-35-15410-1008-27072-2279-77790.035-0.218-0.207MAX-2874/L5-15735/L5-8252/L534109/L119470/L5-13422/L110.069/L710.361/L5-4.913/L5

本項(xiàng)目通過在再沸器支耳處設(shè)置4個(gè)彈簧， 使設(shè)備管口處180點(diǎn)和190點(diǎn)的作用力和力矩減小到允許的范圍內(nèi)(如表1所示)，并最終滿足HG/T20583-2011《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》要求。

2.4 配管注意事項(xiàng)

(1)工藝介質(zhì)的進(jìn)出口管道在滿足柔性的條件下，應(yīng)使管道短，彎頭數(shù)量少。由于此類管線管徑較大，受力苛刻，在提管口壓力等級(jí)條件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高管口磅級(jí)，增大管口受力要求；當(dāng)再沸器有2個(gè)返回口時(shí)，返回管道應(yīng)對(duì)稱布置。

(2)立式再沸器的出口宜與塔的管口直接連接。

圖3 立式再沸器與彈簧支架支撐方式

(3)雖然兩設(shè)備管口之間的直連工藝管線較短，但在開工升溫后，管線會(huì)沿其軸線方向熱膨脹，如果此時(shí)再沸器位移受限，兩設(shè)備管口在管線軸線方向的作用力和管子的內(nèi)應(yīng)力都將很大，從而導(dǎo)致管道二次應(yīng)力不能通過。為消除管口軸向上所受的熱應(yīng)力，較好的辦法是在彈簧支架的上表面與再沸器支耳厎面之間增加1層聚四氟乙烯板(如圖3所示)，將彈簧與支耳之間的摩擦系數(shù)從鋼對(duì)鋼的0.3降為不銹鋼對(duì)聚四氟乙烯的0.1，從而允許再沸器在管線軸線方向有一定的位移。

(4)由于再沸器構(gòu)架緊挨塔器，構(gòu)架基礎(chǔ)可能會(huì)影響塔的樁基及基礎(chǔ)施工。在設(shè)計(jì)過程中，通常再沸器廠家提供資料的時(shí)間較晚，往往在收到再沸器資料時(shí)，塔器已經(jīng)開始打樁基，因此在收到資料后應(yīng)盡快與工藝專業(yè)、設(shè)備專業(yè)協(xié)商共同將再沸器構(gòu)架的基礎(chǔ)委拖提出，以便土建專業(yè)能在塔基礎(chǔ)施工前及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，從而避免設(shè)計(jì)失誤。

(5)再沸器的膨脹節(jié)(下管板)通常位于支耳下方，在給土建專業(yè)提支撐再沸器層平臺(tái)委托時(shí)，構(gòu)架平臺(tái)開洞大小L1(如圖3所示)應(yīng)滿足在裝卸再沸器時(shí)膨脹節(jié)(下管板)能順利通過。為滿足上述條件，往往需要再沸器廠家加長(zhǎng)支耳長(zhǎng)度L2(如圖3所示)，從而保證彈簧支架的底座能完全落在構(gòu)架平臺(tái)上，避免部分彈簧底座占用開洞位置，阻礙再沸器的裝卸。

3 結(jié)束語

在設(shè)計(jì)過程中，由于再沸器牽涉的專業(yè)較多且設(shè)計(jì)周期較短，這就要求配管設(shè)計(jì)人能全局掌握設(shè)計(jì)進(jìn)度，及時(shí)有序地提交構(gòu)架基礎(chǔ)，管道應(yīng)力，管口受力以及構(gòu)架平臺(tái)荷載和開洞等委托，從而保證項(xiàng)目順利進(jìn)行。

[1] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003.

[2] 宋岢岢.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)石化出版社，2011.

(本文文獻(xiàn)格式：叢 偉，韓 磊.淺析立式熱虹吸再沸器熱應(yīng)力及管道設(shè)計(jì)[J].山東化工,2017,46(15):127-129.)

Piping Design and Stress Analysis for Vertical Thermosyphon Reboiler

CongWei,HanLei

(CPECC East-China Design Branch,Qingdao 266071,China)

The vertical thermosyphon reboiler is a shell-and-tube heat exchanger, using heat medium to provide heat in the shell side to heat the tube side process fluid to boiling. This paper introduces the thermal-stress analysis of vertical thermosyphon reboiler and the matters needing attention in pipeline design. Taking the Aromatics Separation Unit as an example, author has analyzed the thermalstress of the pipe and equipment nozzles.

vertical thermosyphon reboiler;thermal-stress analysis;piping design

2017-05-24

叢 偉(1982—)，女，山東威海人，本科，工程師，主要從事煉油行業(yè)的管道設(shè)計(jì)工作。

TQ051.6

B

1008-021X(2017)15-0127-03