浅析立式热虹吸再沸器热应力及管道设计

丛 伟，韩 磊

(中国石油工程建设有限公司华东设计分公司，山东 青岛 266071)

浅析立式热虹吸再沸器热应力及管道设计

丛 伟，韩 磊

(中国石油工程建设有限公司华东设计分公司，山东 青岛 266071)

立式热虹吸再沸器是利用热介质在壳程提供热量将管侧工艺流体加热沸腾的管壳式换热器。本文介绍了立式热虹吸再沸器的热应力分析及管道设计注意事项；笔者以芳烃分离装置为例，运用CAESARII软件对相关管道及设备管口进行应力分析。

立式虹吸式再沸器；应力分析；管道设计

再沸器主要分为热虹吸再沸器和釜式再沸器，热虹吸再沸器又分为立式热虹吸再沸器和卧式热虹吸再沸器。其中立式是利用热介质在壳侧提供热量将管侧工艺流体加热沸腾的管壳式换热器，它是自然循环的单元操作，动力来自与之相连的精馏塔塔釜液位产生的静压头和管内流体的密度差。立式热虹吸再沸器具有传热系数高、结构紧凑、安装方便，釜液在加热段的停留时间短、不易结垢、调节方便、占地面积小、设备及运行费用低等显著优点，在石化行业中应用十分广泛。

1 安装方式

在石化装置中，由于工艺上要求立式再沸器与塔的距离最小，因此立式再沸器的出口宜与塔的管口直接连接。塔设备通常是用裙座固定在地面基础上，而立式再沸器的支撑通常有2种形式。较典型的支撑形式见图1。

(a)为支撑在塔上；(b)为支撑在结构平台上 图1 立式再沸器与塔布置型式

2 热应力分析

2.1 热应力对比分析

由于塔与再沸器的材质和温度不同，所以膨胀量不同，因而容器的管口在竖直方向上将产生较大的热胀反力和弯矩，亦即在管口与容器的连接点将产生很高的应力。如果应力过高，超过容器管口允许受力(力矩)，很容易造成法兰泄露，从而造成危险。

(1)对于图1(a)中所示的支撑结构，通常将根据2台设备的温度、材质等来确定再沸器支撑在塔上的位置，同时确定再沸器的支耳位置，以使A-B的膨胀量与C-D点的膨胀量相等或相近;如果相等(通常这难以实现)，则支架的刚度要求很大；如果不等，通常是C-D点的膨胀量大于A-B的膨胀量，这时则需要选择合适的支架型钢，在满足强度控制的前提下，同时满足刚度的要求，即允许支架型钢有一定的挠度，用以吸收一些热膨胀，从而使设备口的力和力矩减小到允许的范围内。

(2)对于图1(b)中所示的支撑结构，一种做法是尽量找出再沸器上的C点，在这点上再沸器C点-D点的膨胀量等于或接近塔A点-B点的膨胀量，此时不用在支耳处设置弹簧架，但由于受系统稳定性、容器设计和安装等很多因素的限制，这一点通常很难做到。更好的方法是在再沸器的4个(或2个)支耳处设置弹簧支架，而通过设定弹簧荷载的办法，使设备管口处的作用力和力矩减小到允许的范围内，这样就相对简单。

通过上述两种安装方式的热应力分析对比结果来看，图1(b)的安装对支架的刚度及扰度不存在较高要求，其设计、安装以及后期的操作更为简便；同时随着炼化规模的不断扩大，相关设备的容器储量也不断增加，对于大型立式再沸器目前更多采用框架式支撑，这种支撑方式可以减少立式再沸器对塔所产生偏载，从而进一步增强了塔的稳定性。以下将重点分析此类再沸器的热应力及配管注意事项。

2.2 热应力分析注意事项

由于塔与再沸器运行时工况比较复杂，用CAESARII软件进行应力分析时，应特别注意载荷工况的设定，对于框架式支撑情况，建议的荷载工况组合如下：

(1)W+P+F(SUS)为一次应力计算工况。

(2)W+T1+P+F(SUS)为正常操作工况。

(3)W+T2+P+F(OPE)为塔正常而再沸器停工况。

(4)W+T3+P+F(OPE)为塔停而再沸器正常工况。

(5)W+T4+P+F(OPE)为设计温度工况。

(6)W+F(SUS)为空重工况。

(7)D5-D1(EXP)为二次应力工况。

(8)D4-D1(EXP)为二次应力工况。

(9)D3-D1(EXP)为二次应力工况。

(10)D2-D1(EXP)为二次应力工况。

其中，W为管道自重(包括管重、保温重、介质重和刚性元件重)，P为压力，T为温度，F为集中力/力矩、冷紧、弹簧初始荷载。上述的荷载工况并非全部必须要做，这要视工艺的情况选择。管道应力分析时，建议设备管口使用CAESARII中心WRC297柔性管嘴来模拟，这样可以更加真实地反映受力情况。

2.3 工程案例分析

图2 某芳烃分离装置立式再沸器工艺管道配管模型表1 180点和190点受力表

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

本项目通过在再沸器支耳处设置4个弹簧， 使设备管口处180点和190点的作用力和力矩减小到允许的范围内(如表1所示)，并最终满足HG/T20583-2011《钢制化工容器结构设计规定》要求。

2.4 配管注意事项

(1)工艺介质的进出口管道在满足柔性的条件下，应使管道短，弯头数量少。由于此类管线管径较大，受力苛刻，在提管口压力等级条件时，应适当提高管口磅级，增大管口受力要求；当再沸器有2个返回口时，返回管道应对称布置。

(2)立式再沸器的出口宜与塔的管口直接连接。

图3 立式再沸器与弹簧支架支撑方式

(3)虽然两设备管口之间的直连工艺管线较短，但在开工升温后，管线会沿其轴线方向热膨胀，如果此时再沸器位移受限，两设备管口在管线轴线方向的作用力和管子的内应力都将很大，从而导致管道二次应力不能通过。为消除管口轴向上所受的热应力，较好的办法是在弹簧支架的上表面与再沸器支耳厎面之间增加1层聚四氟乙烯板(如图3所示)，将弹簧与支耳之间的摩擦系数从钢对钢的0.3降为不锈钢对聚四氟乙烯的0.1，从而允许再沸器在管线轴线方向有一定的位移。

(4)由于再沸器构架紧挨塔器，构架基础可能会影响塔的桩基及基础施工。在设计过程中，通常再沸器厂家提供资料的时间较晚，往往在收到再沸器资料时，塔器已经开始打桩基，因此在收到资料后应尽快与工艺专业、设备专业协商共同将再沸器构架的基础委拖提出，以便土建专业能在塔基础施工前及时发现问题，从而避免设计失误。

(5)再沸器的膨胀节(下管板)通常位于支耳下方，在给土建专业提支撑再沸器层平台委托时，构架平台开洞大小L1(如图3所示)应满足在装卸再沸器时膨胀节(下管板)能顺利通过。为满足上述条件，往往需要再沸器厂家加长支耳长度L2(如图3所示)，从而保证弹簧支架的底座能完全落在构架平台上，避免部分弹簧底座占用开洞位置，阻碍再沸器的装卸。

3 结束语

在设计过程中，由于再沸器牵涉的专业较多且设计周期较短，这就要求配管设计人能全局掌握设计进度，及时有序地提交构架基础，管道应力，管口受力以及构架平台荷载和开洞等委托，从而保证项目顺利进行。

[1] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2003.

[2] 宋岢岢.工业管道应力分析与工程应用[M].北京：中国石化出版社，2011.

(本文文献格式：丛 伟，韩 磊.浅析立式热虹吸再沸器热应力及管道设计[J].山东化工,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

丛 伟(1982—)，女，山东威海人，本科，工程师，主要从事炼油行业的管道设计工作。

TQ051.6

B

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