再沸器與塔器特殊工況的應(yīng)力分析

葉 薇

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

對(duì)于塔與再沸器直連的設(shè)計(jì)方案，再沸器可以直接支撐在塔器上，也可以支撐在框架上。大多數(shù)再沸器質(zhì)量較大，設(shè)備塔器無法支撐再沸器的質(zhì)量，所以再沸器支撐在框架上居多，本文只討論再沸器支撐在框架中的形式。塔器和再沸器直連(見圖1)，由于塔與再沸器的材質(zhì)、溫度不同，會(huì)在塔器與再沸器之間的連接管道上產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。

圖1 再沸器支撐在框架上

一般來說，工程上常用的消除管道豎直方向應(yīng)力的方法，是在合適的高度設(shè)置再沸器的剛性支撐，使塔器和再沸器膨脹量基本一致[1]。工程上常用的消除管道軸向應(yīng)力的方法，是采用可滑動(dòng)支撐，即在再沸器的4個(gè)支耳底板上沿管道軸向開長(zhǎng)圓型的地腳螺栓孔，使設(shè)備可以滑動(dòng)，同時(shí)支耳支撐采用低摩擦副，如支耳不銹鋼板與聚四氟乙烯板接觸，減小因支耳滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力。這兩種方案的疊加使用，能解決再沸器較輕，且空重和操作重相差不大的工況。但是，在下面這些特殊情況中，以上方案并不適用：①無法通過設(shè)置再沸器的標(biāo)高解決管道徑向應(yīng)力；②再沸器質(zhì)量過大，導(dǎo)致接管的軸向推力過大；③上述兩種情況疊加出現(xiàn)。

1 設(shè)置再沸器標(biāo)高無法解決管道徑向應(yīng)力

再沸器是一種換熱器，分為殼程和管程，殼程的溫度與通入蒸汽的溫度一致，比再沸器管程和塔釜的溫度高。當(dāng)用塔和再沸器膨脹量基本一致的方法來消除管道徑向應(yīng)力時(shí)，再沸器的支耳標(biāo)高設(shè)置一般比塔器下切線標(biāo)高要高。但有時(shí)鑒于工程實(shí)際情況，支耳高度無法設(shè)置到需要的高度。

例如在某乙二醇項(xiàng)目中，某再沸器與塔器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。工藝要求塔釜下切線標(biāo)高高于再沸器支耳標(biāo)高1 600mm。在設(shè)備高差確定的要求下，考慮通過優(yōu)化再沸器支撐的方式來消除管道應(yīng)力。利用CAESER-II建立模型，對(duì)不同的再沸器支撐方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。

表1 塔和再沸器設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 不同再沸器支撐方式應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比

從表2的結(jié)果可知，方案1的管口受力超過靜設(shè)備管口許用受力的要求。方案2和方案3的管口受力符合靜設(shè)備管口許用受力的要求。管口受力符合要求是應(yīng)力分析的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行方案對(duì)比前，可以按照WRC297建立柔性管嘴，查看結(jié)果是否能將管嘴受力降低至要求剛性支撐范圍內(nèi)。

因此，再沸器采用彈簧支撐和管道上添加膨脹節(jié)這兩種方法，使再沸器的管口受力小了很多，可以很好地解決管道徑向應(yīng)力過大的問題，但是選用彈簧支撐或者在管子上添加膨脹節(jié)來解決再沸器應(yīng)力計(jì)算，也有一定的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中有幾點(diǎn)需要注意。

(1)選用彈簧支撐再沸器時(shí)，需注意校核再沸器的空載工況。選用彈簧支撐再沸器時(shí)，需額外考慮的一種工況如下：WNC+H，WNC為設(shè)備管道空重狀態(tài)。因?yàn)閺椈蓞?shù)型號(hào)是根據(jù)OPE的工況下，即設(shè)備操作質(zhì)量選擇的。當(dāng)再沸器的操作質(zhì)量比設(shè)備空重大很多時(shí)，在空載狀態(tài)下，彈簧已經(jīng)拔銷，彈簧支撐力過大，容易將設(shè)備頂起來，反而造成管道豎直方向力過大，此時(shí)彈簧支撐設(shè)備的方案不適用。

(2)支彈簧和吊彈簧的選用。采用彈簧支撐再沸器時(shí)，優(yōu)先選用支彈簧的形式。采用吊彈簧支撐設(shè)備，容易出現(xiàn)設(shè)備傾斜的狀況，且支撐吊桿與再沸器的著力點(diǎn)由面接觸變?yōu)榫€接觸，給工程上帶來了不穩(wěn)定因素。

2 再沸器質(zhì)量大導(dǎo)致接管的軸向推力過大

某精細(xì)化工項(xiàng)目的某再沸器與塔器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。在此案例中，再沸器空重50t，充水重79t，操作重80t，再沸器質(zhì)量過大，導(dǎo)致接管的軸向推力過大，考慮采用超低摩擦副來解決再沸器推力過大的問題。超低摩擦副采用滾珠滾動(dòng)的原理，可使接觸面間的摩擦系數(shù)≤0.02[2]。

表3 塔和再沸器設(shè)計(jì)參數(shù)

不同再沸器支撐方式結(jié)果對(duì)比見表4。從表4可知，方案1的管口受力超過靜設(shè)備管口許用受力的要求，方案2和方案3的管口受力符合靜設(shè)備管口許用受力的要求。即采用滾珠滑動(dòng)和添加膨脹節(jié)可使再沸器的管口受力減小很多，滿足設(shè)備管口受力要求，可以很好地解決軸向推力過大的問題。

表4 不同再沸器支撐方式結(jié)果對(duì)比

3 管道軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力同時(shí)無法解決

上面的兩個(gè)例子都是單一方向受力過大的問題，在工程實(shí)踐中，有時(shí)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)管道的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力同時(shí)無法解決的情況，如在再沸器操作重很大，且再沸器的殼程溫度和塔釜的溫度相差較大時(shí)。在這種情況下，可采用設(shè)置直管壓力平衡型膨脹節(jié)。

直管壓力平衡型膨脹節(jié)一般在直管段上使用，主要用于吸收軸向位移，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)也可吸收少量的橫向位移，并能承受壓力反力。膨脹節(jié)的選型設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)：①膨脹節(jié)不宜在壓力過高的場(chǎng)合選用；②應(yīng)滿足安裝長(zhǎng)度等要求；③考慮膨脹節(jié)盲板力的影響；④考慮到使用膨脹節(jié)的合理性，膨脹節(jié)和彈簧不能同時(shí)使用。

4 再沸器與塔器配管的應(yīng)力分析

針對(duì)不同的再沸器和塔器，以及不同的工況，消除管道應(yīng)力的方法是不盡相同的。根據(jù)工程實(shí)踐，總結(jié)了再沸器與塔器配管的應(yīng)力分析思路(見圖2)。

圖2 再沸器應(yīng)力計(jì)算流程參考

5 結(jié)語

再沸器和塔器是化工裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，工況比較復(fù)雜，對(duì)于塔與再沸器直連的設(shè)計(jì)方案，其連接管道的管道應(yīng)力值容易超標(biāo)，無法滿足管口允許受力要求。在實(shí)際工程中，如何消除管道應(yīng)力，使設(shè)備管口受力符合要求，需要根據(jù)具體的情況來分析，上面的流程可以作為參考。