◎高峰

丁二烯抽提裝置為中國石化海南煉化100 萬噸/年乙烯項(xiàng)目的主要配套生產(chǎn)裝置之一，采用的是乙腈法丁二烯抽提工藝技術(shù)，原料來自于上游乙烯裝置副產(chǎn)混合C4，以乙腈為溶劑，采用兩級萃取精餾加兩級普通精餾，連續(xù)生產(chǎn)聚合級1，3-丁二烯產(chǎn)品和抽余液副產(chǎn)品。產(chǎn)品1，3-丁二烯送至產(chǎn)品罐區(qū)，副產(chǎn)品抽余液去罐區(qū)或作為下游MTBE/丁烯-1 裝置的原料。根據(jù)工藝流程，裝置內(nèi)共設(shè)置塔器12 臺，其中第一/第二萃取精餾塔、汽提塔、抽余液水洗塔、丁二烯水洗塔、脫重塔等關(guān)鍵塔器具有操作介質(zhì)中1，3-丁二烯含量較高、塔體高徑比大的特點(diǎn)，本文主要針對上述特點(diǎn)，對丁二烯抽提裝置關(guān)鍵塔器的設(shè)計(jì)提出了一些淺薄觀點(diǎn)和建議。

一、介質(zhì)特性

操作介質(zhì)的特性不但直接關(guān)系到壓力容器類別的劃分，也直接決定了設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等各環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，因此，正確判斷介質(zhì)特性是壓力容器設(shè)計(jì)極為重要的環(huán)節(jié)，過于輕率會給生產(chǎn)安全帶來極大的安全隱患，過于嚴(yán)苛則會給工程設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)等環(huán)節(jié)造成不必要的浪費(fèi)。

（一）1，3-丁二烯的自聚性

1，3-丁二烯劃為易爆介質(zhì)，但其爆炸隱患往往不是來源于其本身的易爆屬性，而在于1，3-丁二烯具有的共軛雙鍵，化學(xué)性質(zhì)活潑，易通過自由基鏈反生成過氧化物，該過氧化物易自聚形成橡膠狀聚合物，在設(shè)備結(jié)構(gòu)死區(qū)、儀表接口、塔盤等部位聚集生長，造成儀表測量失靈、塔盤堵塞及塔盤壓差增大等現(xiàn)象，甚至脹破設(shè)備、閥門或管道，且該聚合物極不穩(wěn)定，在遇明火、碰撞、過熱、摩擦等情況下存在爆炸危險。有文獻(xiàn)表明，氧和過氧化物“活性中心”是誘發(fā)1，3-丁二烯聚合的最主要因素，除此之外，光、鐵銹及雜質(zhì)、過高的溫度等也可促進(jìn)1，3-丁二烯的聚合。

（二）防聚措施

基于1，3-丁二烯的上述特性，工程設(shè)計(jì)時通常采取以下措施限制其聚合：

1.嚴(yán)格控制系統(tǒng)中的氧含量并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，采取措施限制外界的氧氣滲入到系統(tǒng)內(nèi)部，如法蘭（包括人孔法蘭）連接的密封墊片選用密封所需預(yù)緊力較大的柔性石墨-不銹鋼齒形復(fù)合墊片。此外，由于外界氧可通過石棉墊片內(nèi)部孔隙擴(kuò)散到系統(tǒng)內(nèi)，PTFE 材質(zhì)可誘發(fā)1，3-丁二烯聚合，因此對于1，3-丁二烯濃度較高的設(shè)備在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時，密封墊片通常禁用石棉墊片和PTFE 墊片；

2. 選擇合適的注入方案注入TBC 阻聚劑對游離基進(jìn)行捕捉，使“活性中心”喪失活性，進(jìn)而阻斷過氧化物的聚合；

3. 在不影響萃取效果的前提下盡可能的降低設(shè)備的操作溫度；

4.設(shè)備內(nèi)表面及內(nèi)構(gòu)件應(yīng)徹底除銹，并去除油污、雜質(zhì)，內(nèi)構(gòu)件表面應(yīng)保證光滑無毛刺，焊縫須打磨圓滑，所有接管內(nèi)緣應(yīng)倒圓角處理；

5.盡可能的減少設(shè)備的結(jié)構(gòu)死區(qū)，如介質(zhì)不流通的儀表口處，宜采用凸緣法蘭結(jié)構(gòu)；

6.開工前設(shè)備須采用亞硝酸鈉溶液進(jìn)行全充液鈍化，抑制丁二烯在設(shè)備表面聚合。

二、高聳塔器抗橫風(fēng)向振動設(shè)計(jì)

海南煉化100 萬噸/年乙烯項(xiàng)目地處沿海強(qiáng)風(fēng)帶，基本風(fēng)壓達(dá)834N/m2，且為臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)，而丁二烯抽提裝置的塔器大多為具有較大高徑比的高聳塔器，因此，為避免發(fā)生風(fēng)振破壞，須考慮高聳塔器的抗橫風(fēng)振設(shè)計(jì)。

（一）橫風(fēng)向共振的判別

風(fēng)以一定速度繞流過塔器時會出現(xiàn)“卡曼渦街”現(xiàn)象，即在塔器背后兩側(cè)會交替形成漩渦并以一定的頻率脫落，當(dāng)該頻率與塔器的自振頻率接近或一致時，會誘發(fā)塔體共振，通常將塔共振時的風(fēng)速也稱之為臨界風(fēng)速Vi。工程上一般認(rèn)為當(dāng)塔頂風(fēng)速V 滿足V1≤V＜V2時，設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮塔器的一階振型的振動，當(dāng)V≥V2時，則應(yīng)同時考慮一階和二階振型的振動。

（二）橫風(fēng)向振動誘發(fā)的疲勞計(jì)算

在計(jì)算風(fēng)載荷對塔器的作用時，順風(fēng)向的振動一般按靜力學(xué)考慮，即只要計(jì)算截面處由各載荷引起的總彎曲應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力值，就認(rèn)為塔體是安全的。而橫風(fēng)向振動破壞的失效模式主要是疲勞破壞，即使計(jì)算截面處的應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力值，也可能會導(dǎo)致塔體的破壞。目前，由于NB/T 47041-2014《塔式容器》并未涉及振動誘發(fā)的疲勞計(jì)算，因此，在按上述判定塔器存在橫風(fēng)向振動破壞風(fēng)險時，塔體計(jì)算除須滿足《塔式容器》外，還應(yīng)對各危險截面進(jìn)行疲勞校核。因此，共振時塔體各危險截面須滿足材料的交變應(yīng)力幅與循環(huán)次數(shù)關(guān)系，即S-N 疲勞曲線。疲勞核算可按如下步驟進(jìn)行，且疲勞核算應(yīng)至少包括裸塔、空塔和正常操作三個工況：

1.共振時，橫風(fēng)作用于塔體計(jì)算截面處的彎曲應(yīng)力為：

w——計(jì)算截面的抗彎模量，mm3。

計(jì)算截面應(yīng)至少包括裙座與底封頭連接截面、錐形過渡段大小端、不等壁厚處的殼體環(huán)焊縫截面等結(jié)構(gòu)不連續(xù)處。

2.橫風(fēng)振交變應(yīng)力幅：

式中：Kf——疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)，可按ASME 選取。疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)Kf是計(jì)及局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)（應(yīng)力集中）對疲勞強(qiáng)度影響的應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)，即已考慮應(yīng)力集中的影響。但對于存在較大應(yīng)力集中現(xiàn)象或可能存在較大安全隱患的重要部位或焊縫，可將應(yīng)力集中系數(shù)Kc納入式（2）進(jìn)行計(jì)算，即：

3.交變應(yīng)力幅作用下的設(shè)計(jì)許用循環(huán)次數(shù)可根據(jù)式（4）～（6）計(jì)算：

式中：C1～C11疲勞曲線系數(shù)；

Cus——轉(zhuǎn)化系數(shù)，Cus=6.894757；

EFC——設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量，GPa；

ET——使用溫度下材料的彈性模量，GPa。

原則上，若根據(jù)上述步驟計(jì)算得到的循環(huán)次數(shù)N 能滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)的使用要求，則認(rèn)為塔體具有較好的抗橫風(fēng)振疲勞性能，可不另行采取抗橫風(fēng)減振措施。但是，工程上為安全起見，循環(huán)次數(shù)通常按無限次考慮，即：若按式（2）或（3）計(jì)算得到的交變應(yīng)力幅小于材料的疲勞極限，則認(rèn)為塔體具有較好的抗橫風(fēng)振疲勞性能，否則認(rèn)為塔體抗橫風(fēng)振疲勞性能較差，須參照上述設(shè)置專門的抗橫風(fēng)減振裝置，并重新進(jìn)行疲勞校核，直至校核通過。

（三）抗橫風(fēng)向振動的措施

在工程設(shè)計(jì)中，通過采取調(diào)整塔高、塔徑、塔盤數(shù)量或填料層的分布、附塔操作平臺的位置等方法來改變塔體的阻尼往往難度較大，會導(dǎo)致工藝、管道、儀表、結(jié)構(gòu)等多個設(shè)計(jì)專業(yè)調(diào)整或修改自己的設(shè)計(jì)方案，因此，上述方法通常可行性不高。當(dāng)按上述判定塔體抗橫風(fēng)振疲勞性能較差又無法采取上述方法時，可以采取以下措施來防范或限制塔體的橫風(fēng)向振動破壞：

1. 在塔頂不少于1/3 高度范圍內(nèi)設(shè)置軸向型或螺旋形翅片擾流器，以螺旋形效果為佳。該方法已廣泛應(yīng)用于高聳塔器、煙囪等的抗橫風(fēng)向振動，其原理是將垂直作用于塔體的風(fēng)載荷轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向、環(huán)向的載荷，從而達(dá)到擾亂“卡曼渦街”的目的。螺旋形翅片擾流器在成本控制方面具有較大優(yōu)勢，但其制造、安裝難度較大，尤其是對于直徑較大的塔器，其翅片寬度大，給管道、操作平臺及鋼直梯等設(shè)計(jì)、安裝造成諸多不便。另外，特別需要注意的是，按NB/T 47041-2014《塔式容器》的計(jì)算方法對設(shè)置翅片擾流器的塔體進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時，得到的結(jié)果可能是不可靠的，一是由于安裝翅片后，塔頂1/3高度范圍內(nèi)的迎風(fēng)面積會顯著增大，二是體型系數(shù)K1 會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)中給定的0.7。這些會導(dǎo)致設(shè)置了翅片擾流器的塔體各計(jì)算截面處的順風(fēng)向彎矩遠(yuǎn)大于未設(shè)置翅片擾流器的，從而進(jìn)一步導(dǎo)致某些計(jì)算截面處的軸向組合拉應(yīng)力校核不合格。

2.在塔頂區(qū)域設(shè)置調(diào)頻質(zhì)量阻尼器，其原理通過在振動主體上設(shè)置一個質(zhì)量系統(tǒng)來吸收或轉(zhuǎn)移主體的振動能量，從而達(dá)到抑制主體振動的目的。阻尼器在高層建筑及高聳鋼結(jié)構(gòu)上已有廣泛的應(yīng)用。近年來，為滿足不斷提升的產(chǎn)能需求，塔器的高度和直徑也日益增大，高聳塔器的比例也在急劇增加，風(fēng)振誘發(fā)的高聳塔器破壞的案例也時有發(fā)生。為此，國內(nèi)一些工程公司開始將改進(jìn)后的機(jī)械式調(diào)頻質(zhì)量阻尼器應(yīng)用到石化行業(yè)的高聳塔器上，且取得了不錯的減振效果。該阻尼系統(tǒng)主要由支架、鋼繩、質(zhì)量環(huán)、隔振器及其支座構(gòu)成（見圖1），通過質(zhì)量環(huán)來吸收塔體的振動能量，質(zhì)量環(huán)重量一般不超過塔器本體重量的2%。為防止質(zhì)量環(huán)與塔器發(fā)生碰撞，通常在塔體四周設(shè)置四組隔振器。此外，該阻尼減振系統(tǒng)還配備了振動監(jiān)測裝置，可實(shí)時監(jiān)測塔頂?shù)恼駝忧闆r，并記錄振動次數(shù)和幅值等數(shù)據(jù)，為設(shè)備的安全預(yù)警、風(fēng)險評價等提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 機(jī)械式調(diào)頻質(zhì)量阻尼器示意圖

3.增加塔體壁厚可減小塔的自振周期，同時也可以增大計(jì)算截面的抗彎模量，從而降低共振時橫風(fēng)作用于計(jì)算截面處的彎曲應(yīng)力水平，提高塔體抗橫風(fēng)向振動性能，但增加壁厚也會大大增加塔器尤其是大型塔器的材料、制造、檢驗(yàn)、吊裝等諸多環(huán)節(jié)的成本。

4.其它如采用低密度、高彈性模量的材料來減小塔體自振周期；小直徑的細(xì)高塔器可以采用整體框架支撐結(jié)構(gòu)；在場地允許的情況下設(shè)置鋼繩牽引等方法，也可為工程設(shè)計(jì)人員解決高聳塔器風(fēng)振問題提供一種設(shè)計(jì)思路。

（四）抗橫風(fēng)向振動的相關(guān)技術(shù)要求

對按上述判定存在橫風(fēng)向振動破壞風(fēng)險的塔器，在設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，提高焊接接頭的制造及檢驗(yàn)要求，來達(dá)到降低疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)的目的：

1.錐形過渡段大小端應(yīng)采用帶折邊結(jié)構(gòu)，且宜由一種厚度組成；

2.殼體（含裙座殼體）的對接環(huán)焊縫內(nèi)外表面宜打磨余高至與母材齊平，并進(jìn)行100%RT 檢測，檢測技術(shù)等級為AB 級，合格級別為II 級；

3. 錐形過渡段大小端與筒體的對接接頭及不等壁厚殼體的對接接頭須進(jìn)行100%RT+100%UT 檢測，RT 檢測技術(shù)等級為AB 級，合格級別為II 級；UT 檢測技術(shù)等級為B 級，合格級別為I 級。上述焊接接頭表面還須進(jìn)行100%MT（PT）檢測，I 級合格；

4.底封頭與裙座的焊接宜采用圖2（a）或2（b）所示結(jié)構(gòu)，對接接頭應(yīng)進(jìn)行100%RT 檢測，檢測技術(shù)等級為AB 級，合格級別為II 級，其它型式焊接接頭宜進(jìn)行100%超聲檢測，檢測技術(shù)等級為B 級，合格級別為I 級。所有焊接接頭表面還應(yīng)進(jìn)行 100%MT 檢測，I 級合格。

圖2 底封頭與裙座的連接

5.其它相關(guān)技術(shù)要求還包括：塔體1/2 高度以上部位不宜設(shè)置聯(lián)合平臺；塔器安裝就位后，應(yīng)及時安裝塔內(nèi)件、操作平臺、附塔管線等，避免裸塔、空塔長時間現(xiàn)場聳立。

三、結(jié)語

1.通過對主要操作介質(zhì)1，3-丁二烯易于自聚特點(diǎn)的探討，提出了設(shè)計(jì)過程中須注意的事項(xiàng)以及應(yīng)采取的防聚措施；

2.為避免高聳塔器出現(xiàn)橫風(fēng)向振動疲勞破壞，提出對存在橫風(fēng)向共振風(fēng)險的高聳塔器應(yīng)進(jìn)行疲勞校核，對抗橫風(fēng)振疲勞性能較差應(yīng)塔器應(yīng)采取專門的抗風(fēng)減振措施。

通過上述討論，為后續(xù)同類裝置的塔器設(shè)計(jì)提供一些思考和啟發(fā)。