再沸器與塔器特殊工況的應力分析

葉 薇

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

對于塔與再沸器直連的設計方案，再沸器可以直接支撐在塔器上，也可以支撐在框架上。大多數再沸器質量較大，設備塔器無法支撐再沸器的質量，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、溫度不同，會在塔器與再沸器之間的連接管道上產生較大的軸向應力和徑向應力。

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力的方法，是在合適的高度設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力的方法，是采用可滑動支撐，即在再沸器的4個支耳底板上沿管道軸向開長圓型的地腳螺栓孔，使設備可以滑動，同時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，減小因支耳滑動產生的摩擦力。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無法通過設置再沸器的標高解決管道徑向應力；②再沸器質量過大，導致接管的軸向推力過大；③上述兩種情況疊加出現。

1 設置再沸器標高無法解決管道徑向應力

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。當用塔和再沸器膨脹量基本一致的方法來消除管道徑向應力時，再沸器的支耳標高設置一般比塔器下切線標高要高。但有時鑒于工程實際情況，支耳高度無法設置到需要的高度。

例如在某乙二醇項目中，某再沸器與塔器的設計參數見表1。工藝要求塔釜下切線標高高于再沸器支耳標高1 600mm。在設備高差確定的要求下，考慮通過優化再沸器支撐的方式來消除管道應力。利用CAESER-II建立模型，對不同的再沸器支撐方案的計算結果進行對比，結果見表2。

表1 塔和再沸器設計參數

表2 不同再沸器支撐方式應力分析結果對比

從表2的結果可知，方案1的管口受力超過靜設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備管口許用受力的要求。管口受力符合要求是應力分析的一個重要標準，在進行方案對比前，可以按照WRC297建立柔性管嘴，查看結果是否能將管嘴受力降低至要求剛性支撐范圍內。

因此，再沸器采用彈簧支撐和管道上添加膨脹節這兩種方法，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來解決再沸器應力計算，也有一定的局限性，在實際應用中有幾點需要注意。

(1)選用彈簧支撐再沸器時，需注意校核再沸器的空載工況。選用彈簧支撐再沸器時，需額外考慮的一種工況如下：WNC+H，WNC為設備管道空重狀態。因為彈簧參數型號是根據OPE的工況下，即設備操作質量選擇的。當再沸器的操作質量比設備空重大很多時，在空載狀態下，彈簧已經拔銷，彈簧支撐力過大，容易將設備頂起來，反而造成管道豎直方向力過大，此時彈簧支撐設備的方案不適用。

(2)支彈簧和吊彈簧的選用。采用彈簧支撐再沸器時，優先選用支彈簧的形式。采用吊彈簧支撐設備，容易出現設備傾斜的狀況，且支撐吊桿與再沸器的著力點由面接觸變為線接觸，給工程上帶來了不穩定因素。

2 再沸器質量大導致接管的軸向推力過大

某精細化工項目的某再沸器與塔器的設計參數見表3。在此案例中，再沸器空重50t，充水重79t，操作重80t，再沸器質量過大，導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的原理，可使接觸面間的摩擦系數≤0.02[2]。

表3 塔和再沸器設計參數

不同再沸器支撐方式結果對比見表4。從表4可知，方案1的管口受力超過靜設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備管口許用受力的要求。即采用滾珠滑動和添加膨脹節可使再沸器的管口受力減小很多，滿足設備管口受力要求，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果對比

3 管道軸向應力和徑向應力同時無法解決

上面的兩個例子都是單一方向受力過大的問題，在工程實踐中，有時會同時出現管道的軸向應力和徑向應力同時無法解決的情況，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。在這種情況下，可采用設置直管壓力平衡型膨脹節。

直管壓力平衡型膨脹節一般在直管段上使用，主要用于吸收軸向位移，通過優化結構也可吸收少量的橫向位移，并能承受壓力反力。膨脹節的選型設計需要注意以下幾點：①膨脹節不宜在壓力過高的場合選用；②應滿足安裝長度等要求；③考慮膨脹節盲板力的影響；④考慮到使用膨脹節的合理性，膨脹節和彈簧不能同時使用。

4 再沸器與塔器配管的應力分析

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

圖2 再沸器應力計算流程參考

5 結語

再沸器和塔器是化工裝置中的關鍵設備，工況比較復雜，對于塔與再沸器直連的設計方案，其連接管道的管道應力值容易超標，無法滿足管口允許受力要求。在實際工程中，如何消除管道應力，使設備管口受力符合要求，需要根據具體的情況來分析，上面的流程可以作為參考。