塔底再沸器弹簧支架设计

朱周军

(镇海石化工程股份有限公司，浙江 宁波 315000)

再沸器(也称之为重沸器)是化工过程中的常用设备之一，多与分馏塔合用，一般就近安装在分馏塔底部。塔底的液相通过塔底管线进入再沸器中，通常在再沸器中有25%～30%的液相被汽化。被汽化的两相流被送回到分馏塔中，返回塔中的气相组分向上通过塔盘，而液相组分回落到塔底，从而实现塔底液的加热与循环。以芳烃装置脱庚烷流程为例(见图1)，再沸器安装在脱庚烷塔底部，且塔与再沸器的连接管线都尽量短。在热态下，如果塔与再沸器相对位置固定，随着温度升高，在竖直方向和管线轴向会产生较大的热应力，如果不采取有效的消除措施，可能会使连接的设备因产生过大的应力而使其变形甚至破坏，影响设备的正常运行[1]。

图1 再沸器流程

1 换热器支架初定

实际工程中，塔设备通常用裙座固定在地面基础上，换热器支架一般选用刚性支架，以保证设备的稳定性。对于本案例，再沸器在精馏塔固定端以下，而塔底液返回口在塔上部，如果采用刚性支架，则会在竖直方向产生非常大的热应力，有可能造成设备变形或者破坏。因此，此处支架不应使用刚性支架，而应该选用弹簧支架。弹簧在受荷载时被压缩，再沸器向下位移，垂直管线受热膨胀产生的热应力就会得到释放。

立式或者卧式再沸器都存在这种问题。由于立式再沸器中心在垂直中心线上，应力分析和支架设计比较简单，这里就不再进行讨论。本文案例中的再沸器为卧式再沸器。

2 换热器支架应力计算

2.1 主要设计参数

本案例中精馏塔T1(见图2)的尺寸为φ5 600mm×72 972mm×32mm，工作温度265℃，材质为16MnR，再沸器(见图3)的尺寸为φ9 651mm×30mm，壳程工作温度248℃，管程温度304/252℃(进口/出口)，材质为Q345R。管线参数见表1。

表1 管线基本参数

2.2 设备及相关管线建模

精馏塔(见图2)裙座的温度可以按常温考虑[2]，其与筒体的连接位置作为整个模型的固定端(ANC)，筒体和管嘴N1按刚性件(Rigid)模拟。塔底出口N2以及内部竖管按管道模拟，这样可以利用该部分管子的柔性，提高模拟的准确性。

图2 精馏塔简图及管口方位

本案例中的换热器为BHM型式的卧式换热器(见图3)。考虑到管箱部分以及鞍座相对管箱完全对称，假设管箱部分质量均布，并通过调整介质密度来控制其质量。针对封头部分质量的差异，将前后封头进行细化分割，每一段作为刚性件(Rigid)，并且输入该段的质量。理论上分割越细化，设备的质量分布越准确，模拟的设备也越接近实际情况。

图3 再沸器简图

根据以上思路建立应力模型，并补充相关管线(见图4)。节点550为整个模型的固定点(ANC)，各管口节点见表2。

表2 管口与对应节点

图4 再沸器及相关管线应力模型

2.3 结果分析

法兰面的泄漏校核采用Kellogg当量压力法：

其中：Peq为当量压力；M为作用于法兰上的弯矩；G为法兰垫片上的有效直径；F为作用于法兰上的轴向力(取绝对值)；Pd为工况中定义的压力(如操作工况W+T1+P1对应的P1)。

CAESAR II中的Flange Checks集成了该方法，以节点440为例，其设置见图5。法兰的材料组别选择的是ASME-2003-300-1.1组。

各管口法兰的校核结果见表3。从图中可以看出，各法兰面的当量压力与许用应力比值均在50%～60%，符合要求。

表3 法兰校核结果

由于本案例为再沸器的更新项目，而且新的换热器与旧的换热器基本相同，因此，将新弹簧的计算结果与原有弹簧支架的工作荷载和位移进行比较，结果见表4。

表4 各支架受力及位移

从表4可以看出,两端支架(Z1和Z4)的受力比中间支架(Z2和Z3)受力要大很多，是因为封头的质量主要作用在两端的支架；支架Z1的受力比支架Z2要大，是因为位于支架Z1侧的封头为管程进出口的位置，管线P4和P5的部分质量作用于该侧；中间支架(Z2和Z3)荷载接近，是因为管箱部分质量分布比较均匀。而4个支架的位移基本相同，说明设备未发生倾斜。另外，新设计的受力分配与原设计的受力分配相近。

3 支架选型与设计

从上节的分析结果可以看出，新的弹簧受力是符合设计要求的。下面以计算得到的受力和位移为依据进行支架设计。根据NB/T47039-2013《可变弹簧支吊架》，再沸器支撑弹簧选型见表5。

考虑到鞍座底板的尺寸较大以及单个弹簧支架缺乏稳定性，设计以4个弹簧为一组，组成弹簧箱。换热器的4个鞍座下各放一组弹簧箱(见图6)，这样可以提高设备的稳定性。

从表5可以看出，弹簧的安装高度不一样，因此，确定设备基础高度需要特别注意。一种方法是将弹簧箱统一高度，即至少要高于表中的最大值1 031mm，这样做的目的是使基础一样高；另一种方法是根据弹簧箱高度调整基础的高度，这样基础的高度会不一样。选择第一种方案，将弹簧箱高度统一做成1 050mm。

表5 弹簧选型

图6 弹簧箱简图

另外，考虑到设备运行初期设备的工作质量未达到稳定运行时的质量，当弹簧装置释放时，可能发生向上位移的情况。为保证设备不会被弹簧推至倾斜或者由此导致设备管嘴受力过大，在弹簧上方置了限位，最终支架见图7。

4 结语

(1)再沸器作为化工装置中的重要设备，其工作温度较高，必须对其相关管线进行应力计算。对于这种离塔近、管径大且缺少自然补偿空间的情况，则需要考虑以弹簧支架作为换热器的支撑。

图7 弹簧支架设计

(2)卧式再沸器由于封头部分的质量分布不均匀，导致每一组弹簧的受力都不一样，在换热器建模时，应尽量提高模型准确性，对各部分质量进行细化分割。应力分析除了要计算各弹簧支撑的受力，还要保证管口受力及扭矩不能过大，同时建议对法兰面进行泄漏性校核。此外，设计弹簧支架时应考虑设备的稳定性以及对安装、运行等工况的适应性，例如将单个弹簧改成弹簧箱、设置限位等。