1概述
重沸器在石油化工装置中常用于分馏塔底, 对塔底介质加热液相物料汽化返回塔内, 提供塔器精馏过程所需要的热源。热态下, 由于塔与重沸器的材质和温度不同, 会在竖直方向和管线轴向产生较大的热应力, 如果不采取有效的消除措施, 可能会使连接的设备产生过大的应力或变形, 影响设备的正常运行。本文运用CAESARII软件探讨了重沸器管道设计时应注意的几个问题。
2重沸器配管一般要求
2.1卧式重沸器由蒸汽等热载体升温汽化塔底产出物, 介质流动受静液柱高度驱动, 故一般靠塔布置, 并保证与塔底切线有足够高差, 有工艺专业计算确定。重沸器管程端要预留足够检修空间供重沸器抽芯;
2.2立式重沸器可以紧靠塔侧布置, 在塔上生根作支撑, 与卧式重沸器类似, 也需要满足工艺专业提出的高差要求, 重沸器上部预留足够空间供其抽芯;
2.3在满足管道柔性的前提下, 重沸器与塔连接的入口管道和出口管道应尽可能短, 减少弯头, 减少由管道带来的压降损失;
2.4重沸器的升汽管嘴通常有两个, 为使升汽管内介质流动均匀, 防止偏流, 升汽管道应对称布置。否则, 阻力降大的一支介质流量和热量分配偏少, 影响换热效果;
3重沸器与塔的管道应力
重沸器与塔直接相连, 重沸器放置在塔旁边的地面上, 若两设备之间管道直连, 定义重沸器为a点, 塔为b点, a, b之间连一直线, 管道开始升温至工作温度, 在a, b端点上将产生巨大的力, 管道的应力也会远远超标。实际管道设计中, 这是不允许的。例如, 由单向拉伸或压缩的虎克定律:应力σ=E·ε=E·α·ΔT (E为弹性模量, ε为应变量, α为单位线膨胀系数, ΔT为温差) , 如果管道为普通20#钢, 温度升高了150℃, 弹性模量E=2.034X108Kpa, 材料的单位线膨胀系数α=15.45 X10~4mm/mm, 这样, 应力σ≈314MPa。在如此低的温度下, 实际上, 很难找到可以承受如此大应力的材料。如果管道尺寸取为Φ168X6.0mm, 则管道对端点的推力F=Ω/4· (D2~d2) ·σ≈958810N, 对DN150的管道此推力过大, 由此可以看出:
(1) 管道随温度的升高会产生热胀, 其热胀量与其材料的线膨胀系数和温差成正比;
(2) 管道的热涨受限制时会在管道内部产生应力, 此应力与管道材料的弹性模量和应变量成正比。管道对限制点产生推力, 此推力与管道应力和管道截面积成正比;
4运用CAESARII软件计算
4.1由于重沸器和塔之间运行工况比较复杂, 使用CAE⁃SAR II软件进行应力计算时, 应注意设定各种工况组合, 具体建议如下:
(1) (HYD) WW+HP+H水压试验工况;
(2) (SUS) W+P1+H安装 (一次应力) 工况;
(3) (OPE) W+D1+T1+P1+H正常工作工况;
(4) (EXP) (OPE) ~ (SUS) 纯热态 (二次应力) 工况;
其中, W为管道自身重量 (包括管材重量, 保温重量, 介质重量) , WW为水满管重量, P1为工作压力, HP为水压试验压力, T1为工作温度, D1为附加位移, H为弹簧荷载, 其中, 若模型中没有弹簧, 则H不存在。
4.2由于重沸器与塔的温度和材料不同, 相同高度处的热胀量不同, 因而在塔管口和管道承重支架的竖直方向上将产生较大的热胀力和弯曲力矩, 这是很危险的, 所以必须评价这种危险程度, 并尽量减小使之符合要求。为解决这个问题, 使用CAESARII软件时通常有以下建议:
(1) 建议将设备也模拟进去, 和管子一起连接, 这样使模型更加逼真, 若塔的管嘴为刚性时不满足要求, 建议使用WRC297柔性管嘴Nozzle flex;
(2) 塔管口的附加位移的RX, RY, RZ应该输入0.空着的意思就是角约束没有限制, 与实际情况不符合;
(3) 若管道柔性不足, 建议改变塔的开口方位, 重沸器管口加长水平直管段, 可以有效减小力矩;
(4) 可以将承重支架模拟成型钢, 满足支架强度的情况下, 由型钢的型号给定刚度, 若型钢有足够挠度, 使塔管嘴受力和支架受力达到允许范围, 则不需要弹簧吸收位移差。若承重支架型钢刚度很大, 使塔管嘴受力超标, 承重支架受压, 则需要在承重支架处设置弹簧, 使之达到要求;
(5) 为防止塔与重沸器管口泄露, 建议增大管嘴法兰压力等级;
(6) 若温度压力等工艺条件合适, 也可使用膨胀节的办法解决热应力过大的问题。
5结语
综上所述, 重沸器与塔的管道设计不仅要掌握一般的配管原则, 了解工艺原理, 还要掌握管道的应力计算、支架选择, 只有这样才能保证管道和设备安全正常地运行。
摘要：重沸器是安装在塔底用来升温汽化塔底部产出物的换热器, 一般与塔设备开口直接相连。重沸器与塔的材质、温度不同, 会在竖直方向和管线轴向产生较大的热应力, 笔者运用CAESARII软件, 分析了重沸器与塔连接的情况下产生的热应力, 探讨了重沸器管道设计时应注意的几个问题, 提出合理的平面布置、正确的安装高度、必要的支架设置是消除热应力, 保证重沸器正常工作的关键。
关键词：塔,重沸器,热应力,应力分析,设备管口
参考文献
[1] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京:中国石化出版社, 2009.
[2] 全国压力管道设计审批人员培训教材, 北京:中国石化出版社, 2005.