再沸器与塔器特殊工况的应力分析

叶 薇

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

对于塔与再沸器直连的设计方案，再沸器可以直接支撑在塔器上，也可以支撑在框架上。大多数再沸器质量较大，设备塔器无法支撑再沸器的质量，所以再沸器支撑在框架上居多，本文只讨论再沸器支撑在框架中的形式。塔器和再沸器直连(见图1)，由于塔与再沸器的材质、温度不同，会在塔器与再沸器之间的连接管道上产生较大的轴向应力和径向应力。

图1 再沸器支撑在框架上

一般来说，工程上常用的消除管道竖直方向应力的方法，是在合适的高度设置再沸器的刚性支撑，使塔器和再沸器膨胀量基本一致[1]。工程上常用的消除管道轴向应力的方法，是采用可滑动支撑，即在再沸器的4个支耳底板上沿管道轴向开长圆型的地脚螺栓孔，使设备可以滑动，同时支耳支撑采用低摩擦副，如支耳不锈钢板与聚四氟乙烯板接触，减小因支耳滑动产生的摩擦力。这两种方案的叠加使用，能解决再沸器较轻，且空重和操作重相差不大的工况。但是，在下面这些特殊情况中，以上方案并不适用：①无法通过设置再沸器的标高解决管道径向应力；②再沸器质量过大，导致接管的轴向推力过大；③上述两种情况叠加出现。

1 设置再沸器标高无法解决管道径向应力

再沸器是一种换热器，分为壳程和管程，壳程的温度与通入蒸汽的温度一致，比再沸器管程和塔釜的温度高。当用塔和再沸器膨胀量基本一致的方法来消除管道径向应力时，再沸器的支耳标高设置一般比塔器下切线标高要高。但有时鉴于工程实际情况，支耳高度无法设置到需要的高度。

例如在某乙二醇项目中，某再沸器与塔器的设计参数见表1。工艺要求塔釜下切线标高高于再沸器支耳标高1 600mm。在设备高差确定的要求下，考虑通过优化再沸器支撑的方式来消除管道应力。利用CAESER-II建立模型，对不同的再沸器支撑方案的计算结果进行对比，结果见表2。

表1 塔和再沸器设计参数

表2 不同再沸器支撑方式应力分析结果对比

从表2的结果可知，方案1的管口受力超过静设备管口许用受力的要求。方案2和方案3的管口受力符合静设备管口许用受力的要求。管口受力符合要求是应力分析的一个重要标准，在进行方案对比前，可以按照WRC297建立柔性管嘴，查看结果是否能将管嘴受力降低至要求刚性支撑范围内。

因此，再沸器采用弹簧支撑和管道上添加膨胀节这两种方法，使再沸器的管口受力小了很多，可以很好地解决管道径向应力过大的问题，但是选用弹簧支撑或者在管子上添加膨胀节来解决再沸器应力计算，也有一定的局限性，在实际应用中有几点需要注意。

(1)选用弹簧支撑再沸器时，需注意校核再沸器的空载工况。选用弹簧支撑再沸器时，需额外考虑的一种工况如下：WNC+H，WNC为设备管道空重状态。因为弹簧参数型号是根据OPE的工况下，即设备操作质量选择的。当再沸器的操作质量比设备空重大很多时，在空载状态下，弹簧已经拔销，弹簧支撑力过大，容易将设备顶起来，反而造成管道竖直方向力过大，此时弹簧支撑设备的方案不适用。

(2)支弹簧和吊弹簧的选用。采用弹簧支撑再沸器时，优先选用支弹簧的形式。采用吊弹簧支撑设备，容易出现设备倾斜的状况，且支撑吊杆与再沸器的着力点由面接触变为线接触，给工程上带来了不稳定因素。

2 再沸器质量大导致接管的轴向推力过大

某精细化工项目的某再沸器与塔器的设计参数见表3。在此案例中，再沸器空重50t，充水重79t，操作重80t，再沸器质量过大，导致接管的轴向推力过大，考虑采用超低摩擦副来解决再沸器推力过大的问题。超低摩擦副采用滚珠滚动的原理，可使接触面间的摩擦系数≤0.02[2]。

表3 塔和再沸器设计参数

不同再沸器支撑方式结果对比见表4。从表4可知，方案1的管口受力超过静设备管口许用受力的要求，方案2和方案3的管口受力符合静设备管口许用受力的要求。即采用滚珠滑动和添加膨胀节可使再沸器的管口受力减小很多，满足设备管口受力要求，可以很好地解决轴向推力过大的问题。

表4 不同再沸器支撑方式结果对比

3 管道轴向应力和径向应力同时无法解决

上面的两个例子都是单一方向受力过大的问题，在工程实践中，有时会同时出现管道的轴向应力和径向应力同时无法解决的情况，如在再沸器操作重很大，且再沸器的壳程温度和塔釜的温度相差较大时。在这种情况下，可采用设置直管压力平衡型膨胀节。

直管压力平衡型膨胀节一般在直管段上使用，主要用于吸收轴向位移，通过优化结构也可吸收少量的横向位移，并能承受压力反力。膨胀节的选型设计需要注意以下几点：①膨胀节不宜在压力过高的场合选用；②应满足安装长度等要求；③考虑膨胀节盲板力的影响；④考虑到使用膨胀节的合理性，膨胀节和弹簧不能同时使用。

4 再沸器与塔器配管的应力分析

针对不同的再沸器和塔器，以及不同的工况，消除管道应力的方法是不尽相同的。根据工程实践，总结了再沸器与塔器配管的应力分析思路(见图2)。

图2 再沸器应力计算流程参考

5 结语

再沸器和塔器是化工装置中的关键设备，工况比较复杂，对于塔与再沸器直连的设计方案，其连接管道的管道应力值容易超标，无法满足管口允许受力要求。在实际工程中，如何消除管道应力，使设备管口受力符合要求，需要根据具体的情况来分析，上面的流程可以作为参考。