溶劑再生塔底重沸器出口管線的應力分析

羅偉軍，楊紅梅

(1.武漢凱迪工程技術研究總院有限公司,湖北 武漢 430223; 2.中國五環工程有限公司,湖北 武漢 430223)

0 引 言

石油化工裝置中金屬管道在操作狀態下溫度會升高并膨脹，由此會對設備管口造成比冷態時大得多的推力及力矩.如果配管方式不當，會使設備管口的受力超過其允許的數值，造成設備管口的損壞，并造成介質泄漏，從而引發事故.某廠120萬噸/年重油催化裂化裝置脫硫系統的溶劑再生塔底重沸器進出口管線腐蝕嚴重并經常泄漏，經改造將管線材質升級為不銹鋼，運行一段時間后重沸器出口反而泄漏更加嚴重.本文通過對重沸器出口線的三維模擬應力計算，分析了其泄漏的原因并說明如何通過調整配管來使設備管口的受力達到要求.

1 現狀分析

塔底重沸器出口線是由重沸器出口返回至再生塔，輸送介質為含有H2S的MDEA(甲基二乙醇胺)溶液.管線的參數如下：操作溫度為125 ℃、設計溫度為130 ℃，操作壓力為190 kPa(絕)、設計壓力為210 kPa(絕)，外徑×壁厚為φ325×8.5 mm，保溫厚度100 mm，保溫材料密度200 kg/m3，介質密度為1 000 kg/m3，管線材質改造前為20#碳鋼、改造后為00Cr17Ni14Mo2.由于含有H2S，且操作溫度大于110 ℃，會對金屬管道有較大腐蝕影響，因此改造前管線腐蝕嚴重.更換材質為超低碳不銹鋼00Cr17Ni14Mo2后，管線應該受介質影響較小[1]，分析重沸器出口再次泄露的原因可能是由管線配管方式不當造成的.下面就管線更換材質前后分別分析如下.

2 重沸器出口線更換材質前

重沸器出口線的配管方式如三維模型圖1所示.

圖1 改造前重沸器出口管配管模型圖Fig.1 Model of the reboiler outlet pipeline before reform

本次分析軟件為CAESARII5.0(美國COADE公司).應力計算結果的校核標準為：一次應力：外載荷產生的應力之和不超過材料在設計溫度下的許用應力值；二次應力：計算的最大位移應力范圍(由管線熱脹產生的位移所計算的應力稱為位移應力范圍，從最低溫度到最高溫度全補償值進行計算的應力)不應超過許用的位移應力范圍[2].

容器管口的受力要求一般要滿足石油化工鋼制容器SH/T3407-2007的規定[3].

管系的端點(設備管口)包括：再生塔底返回口(100點)、重沸器出口1(10點)、2(210點).再生塔的材質為復合板(20R+00Cr19Ni10),因此金屬線膨脹系數仍為碳鋼的膨脹系數.根據內插法求得130 ℃時，低碳鋼的單位線膨脹系數為1.3 mm/m[4].

再生塔底返回口的附加位移如下：Y方向的附加線位移為塔裙座向上的膨脹量加上設備筒體從裙座頂部至返回口+Y方向的膨脹量.其中裙座的膨脹量δ計算為1.99 mm[5]，因此Y方向的位移為6.67 mm.X方向的附加線位移為0.Z方向的附加線位移為返回口在塔徑+Z方向長度的膨脹量1.43 mm.角位移均為0.

重沸器材質也為復合板(Q345R+00Cr19Ni10)，金屬線膨脹系數也為碳鋼的膨脹系數.

重沸器出口1的附加位移如下：Y方向的附加線位移為重沸器鞍座至出口+Y方向的膨脹量1.95 mm；X方向為0；Z方向的附加線位移為重沸器的固定端至進口+Z方向的膨脹量0.29 mm.各方向的角位移都為0.

重沸器出口2的附加位移如下：Y方向的附加線位移為1.95 mm；X方向為0；Z方向的附加線位移為6.53 mm.各方向的角位移都為0.

計算結果如下：一次應力通過，最大為16.3%；二次應力通過，最大為11.8%.各設備管口的受力如表1所示.

根據SH/T3407-2007的規定，各設備管口允許受力如表2(PN2.5用內插法求得)所示.

表1 設備管口受力表Table 1 Restraint of equipment nozzles

表2 設備管口允許受力表Table 2 Allowed restraint of equipment nozzles

可以看到各設備管口的受力及力矩都滿足規范要求.

3 重沸器出口線更換材質后

改造后管線材質升級為00Cr17Ni14Mo2，重沸器出口線其余設計參數不變，管系各端點附加位移也不變，仍為原有配管方式，計算結果如下：

一次應力通過，最大為21.7%；二次應力通過，最大為37.5%.各設備管口受力如表3所示.

表3 設備管口受力表Table 3 Restraint of equipment nozzles

可以看到重沸器1、2口的FZ及MX值大大超過了管口受力的允許值.因此重沸器出口會發生泄漏的情況.分析原因為：材質改為不銹鋼后，同樣Z方向上長度的不銹鋼管道向兩端的熱膨脹量大于重沸器筒體(碳鋼材料)向兩端的熱脹量，于是管線會對重沸器兩端管口造成很大的推力及力矩.因此，如何吸收重沸器出口管道在Z方向上的膨脹量成為配管的關鍵.下面就三種配管方式來進行比較：

3.1 第一種方案

配管方式如圖2 所示.此方案將重沸器管口立管的長度加長了500 mm，以吸收Z方向上的膨脹量.計算后的結果如下：一次應力通過，最大為21.2%；二次應力通過，最大為34%.各設備管口受力如表4所示.

圖2 重沸器出口管配管方式1模型圖Fig.2 Model1 of the reboiler outlet pipeline

狀態受力分析數據FX/NFY/NFZ/NMX/N·mMY/N·mMZ/N·m再生塔底返回口(100點)冷態492-3 9621043 016233-437熱態-10 5511 288429163-8 239-4 660重沸器出口1(10點)冷態-402-5 2593 9292 265226302熱態7 690-8 74665 86858 025-3 456-9 282重沸器出口2(210點)冷態-90-4 785-4 033-2 480-11540熱態2 861-6 547-66 297-58 9711 724-5 214

由表4可以看到設備管口受力沒有多少改善，因此還需調整配管.

3.2 第二種方案

配管方式如圖3所示.此方案除了加長了重沸器管口立管的長度外，還在重沸器出口立管后向-X方向彎出1 200 mm.由于重沸器的出口管線壓力降不能太大[6]，因此采取分支管合并后平拐至返回口，這樣保證出口線彎頭總數仍為5個，壓降與原有配管方式一致.計算后的結果如下：

一次應力通過，最大為15.5%；二次應力通過，最大為20.5%.各設備管口受力如表5所示.可以看到受力大有改善，但仍未達到規范要求，因此還需調整配管.

3.3 第三種方案

配管方式如圖4所示.此方案除了加長了重沸器管口豎直管的長度外，在重沸器出口立管后向-X方向彎出1 200 mm.計算后的結果如下：

一次應力通過，最大為27.6%；二次應力通過，最大為15.1%.各設備管口受力情況如表6所示.

圖3 重沸器出口管配管方式2模型圖Fig.3 Model 2 of the reboiler outlet pipeline

受力分析數據狀態FX/NFY/NFZ/NMX/N·mMY/N·mMZ/N·m再生塔底返回口(100點)冷態574-5 1191482 145-318-2 922熱態-8 031-405-4 4952 248-409-1 903重沸器出口1(10點)冷態332-4 601805-1346601 417熱態6 572-9 20815 43610 61110 697-4 399重沸器出口2(210點)冷態242-4 949-95371-7841 697熱態1 459-5 055-10 941-7 569-8 142-1 613

圖4 重沸器出口管配管方式3模型圖Fig.4 Model 3 of the reboiler outlet pipeline

可以看到受力改善很多，重沸器1、2口的FZ及MX值較原有配管方式已減小很多，但仍未達到規范要求.由于重沸器管線壓降不能太大，因此不能再增加彎管，也就無法再進一步吸收管道的熱脹量.所以考慮提高重沸器管口壓力等級，當提高到4.0 MPa等級時，按SH/T3407-2007的規定管口允許受力如表7所示.

表6 方案3設備管口受力表Table 6 Restraint of equipment nozzles of plan 3

表7 設備管口允許受力表Table 7 Allowed restraint of equipment nozzles

比較以上三種方案，第三種方案能滿足管口受力要求.所以選擇配管方式為第三種方案，同時提高設備管口的壓力等級.

4 結果與討論

重沸器的進出口管道材質若與設備的材質不一樣，則管道膨脹量與設備膨脹量不一樣，那么對設備管口就會造成較大的推力及力矩.要使設備管口在允許值范圍內，必須很好的吸收管道的熱膨脹.通過配管改善管線柔性可以根據具體情況而有多種方法，通過方案比較，需采用較經濟合理的配管方式來改善設備管口的受力狀況.通過對本例的應力分析，可以得出以下結論：

a． 當重沸器的進出口管道材質與設備材質不一致時，出口線的常規配管不能滿足設備管口的受力要求，必須更改配管方式.

b． 配管采用如下方式可以很好的提高管道柔性：即加長重沸器出口立管長度約1 m并增加與再生塔反方向的彎管.

c． 若仍然不能滿足管口受力要求，可提高設備管口的壓力等級或補強等措施來滿足設備管口的受力要求.

參考文獻：

[1] 中華人民共和國行業標準.加工高硫原油重點裝置主要管道設計選材導則SH/T3129-2002[S].北京:中國石化出版社，2003.

[2] 中華人民共和國國家標準 工業金屬管道設計規范GB50316-2000(2008版)[S].北京:中國計劃出版社 2008.

[3] 中華人民共和國行業標準 石油化工鋼制壓力容器SH/T3074-2007[S].北京:中國石化出版社，2008.

[4] 張德姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[M].北京:中國石化出版社,2009：664.

[5] 唐永進.壓力管道應力分析[M].北京:中國石化出版社,2010：4-5.

[6] 張晶晶,原凱旋,薛峰.催化裂化裝置穩定塔底重沸器進出口管道設計要點淺析[J].山東化工,2012,41(2)：86-88.