超大型塔器双拼桁架梁优化设计

赵汝文

（中国昊华天津天大天久科技股份有限公司·天津300072）

随着大型及超大型塔器的发展，超大型四溢流塔盘、穿流塔盘、折流板和超大型填料塔系列塔内件的优化设计尤其是桁架梁的优化设计已成为超大型塔器设计水平的重要标志之一。主梁高度不得大于30%板间距的设计规定使工字钢梁不得不让位于桁架梁。而挠度不得大于3毫米的超标准要求使得一梁托一盘的模式发展为一梁托二盘乃至一梁托N盘（N≥3）的桁架梁模式和空间网架模式。遵循多功能塔内件的设计思路，多功能桁架梁—复合桁架梁应运而生。比如，桁架梁与栅梁的复合等，均属于复合桁架梁范畴。下面仅就四种场合下桁架梁结构优化设计进行初步探讨。

1.     超大型四溢流塔盘桁架梁优化设计

天津石化分公司100万吨/年乙烯装置工艺包方案中的Φ12600汽油分馏塔中质油循环段采用四溢流的固定阀塔盘，板间距900毫米。

大型塔盘的桁架梁有两种基本类型：一种是桁架梁垂直于降液管；另一种是桁架梁平行于降液管，且与降液管和受液盘组合而成“复合桁架梁”。

垂直于降液管的桁架梁可设计成一梁托一盘模式，塔盘上无因杆件产生的液体涡流。也可设计成一梁托二盘的模式（图1）此时应设法消除下层塔盘上的涡流。垂直于降液管的桁架梁在工程上应用较早。

图1 Φ10500汽油分馏塔四溢流固定阀塔盘垂直于降液管的一梁托二盘桁架梁

 

平行于降液管的桁架梁更适合于按等流程长度法设计的四溢流大型塔盘。中央降液管、二个近中降液管和二个弓形降液管处，恰为5根桁架梁的位置，这种桁架梁可以设计成一梁托一盘、一梁托二盘（图2）、一梁托N盘（N≥3）（图3、图4）多种模式，需视在最大均布载荷下梁的挠度是否≤3毫米而定。

 

 

图2 平行于降液管的一梁托二盘桁架梁

 

 

图3  平行于降液管的一梁托三盘桁架梁

图4  平行于降液管的一梁托四盘桁架梁

2.     超大型穿流筛板桁架梁的优化设计

波纹穿流筛板、大孔穿流筛板和角钢塔盘均是穿流型塔盘，因其具有较强的抗聚合物堵塞的能力和优良的空间传热（传质）效果，使之在大型乙烯装置汽油分馏塔等多座塔器中越来越广泛地得到应用。由于穿流塔盘没有降液管，桁架梁按等间距（约2000毫米）平行布置即可。一般情况下设计成一梁托二盘的模式，当要求最大挠度值  ≤3毫米时可设计成一梁托N盘（N≥3）的模式。天津

Φ12600汽油分馏塔天久优化方案是：分馏段下部的四块大孔穿流筛板设计成了一梁托四盘模式（图5）；中质油循环段的八块大孔穿流筛板则设计成了二段一梁托四盘的模式。

图5  Φ12600汽油分馏塔大孔穿流筛板一梁托四盘桁架梁

 

3.     超大型折流板桁架梁的优化设计

美国鲁姆斯设计的大型乙烯装置汽油分馏塔急冷油循环段采用16~18层折流板，每层折流板有3~4块，每块折流板有一个类工字梁形支撑梁，上下两层折流板两侧用角钢或槽钢焊成网架式。国内多座汽油分馏塔中的折流板曾被高速气流冲击振落。经长期研究，我们研发出“空间网架”梁（图6），用于Φ12600汽油分馏塔的工程设计中。

空间网架梁实是一种一梁托N盘的复合桁架梁。将16层折流板分成二段，每段采用一套空间网架梁支撑起8层分段式折流板。

每个空间网架梁由基础栅梁（5根）、方管式立柱和工字横梁组焊而成。折流板分段搭在横梁上，并用螺栓固定于连接板上，5根基础栅梁支撑了其上8层折流板（含存液量）、横梁和立柱的重量。保守的做法是校核中央基准栅梁的挠度和稳定性即可。

这种空间网架梁，既可以支撑大、中、小型折流板，也可以技撑角钢塔盘、穿流塔盘等。它与超大型四溢流塔盘、多降液管塔盘的一梁托N盘桁架梁有异梁同工之处。

图6  Φ12600汽油分馏塔折流板的空间网架梁

 

 

 

 

4.     超大型填料塔桁架梁的优化设计

在超大型多侧线或多段填料塔中，集液盘或盘式液体分布器颇为多见。在大中型填料塔中，集液盘或盘式液体分布器多用工字钢梁支撑。支撑其上部填料的传统工字钢梁逐渐被栅梁所取代。而在超大型填料塔中，一托二式的复合桁架梁（图7）上托填料，下托集液盘或盘式液体分布器，一改分而托之的旧模式，树立了一托二的新模式。在中石油广西分公司1000万吨/年常减压蒸馏装置Φ13700减压塔中，一层Φ10700集液盘和二层Φ13700集液盘都采用了一托二式复合桁架梁模式。

图7  Φ13700减压塔抽出渠垂直于桁架梁的UOP模式

 

这种一托二式复合式桁架梁有二种基本结构型式：抽出渠垂直于桁架梁（图7）和抽出渠平行于桁架梁（图8），后者占优。

图8  Φ12600汽油分馏塔抽出渠平行于桁架梁的天大天久模式

 

我们推荐抽出渠平行于桁架梁的设计模式基于以下几个原因：

(1) 桁架梁上弦杆采用栅梁式结构，消除了填料层下端的气体涡流。

(2) 二抽出渠位于二桁架梁下方并被桁架梁吊起，结构简单且不影响集液盘上的液体流路的顺畅。

(3) 全焊接式集液盘，无液体泄露。

(4) 吸收热变形的措施更简单有效。

5.     超大型塔桁架梁的强度核算提要

桁架梁一般是由上下弦杆、立杆、斜杆和连接板组焊而成。上下弦杆常用双拼角钢或槽钢制作，必要时需夹连接板。立杆和斜杆则多用双拼角钢制作，其上下两端焊于连接板或双拼角钢上。

对于这种标准型桁架梁，无论是一梁托一盘、一梁托二盘还是一梁托N（N≥3）盘的桁架梁，均可以通过专用计算软件计算出桁架梁的挠度曲线和最大挠度、各杆件所受的应力和最大应力。对于水平度要求很高的塔盘的桁架梁，国内SEI要求最大挠度f max≤3 毫米；最大应力σmax应小于所用材料使用温度下的许用应力[σ]t，即σmax＜[σ]t。而对于支撑角钢塔盘、折流板和填料的桁架梁，当塔径大于4000毫米时，桁架梁的允许挠度为1/900塔径。

对于非标准型的复合桁架梁，可按标准桁架梁核算，但需要保证复合部件的强度大于标准部件的强度。

对于超大型折流板所用的“空间网架”式桁架梁，由于其结构的不规范性，故未采用专用软件而是采用了传统算法，即忽略了横梁的支撑作用，而将所有重量加在基础栅梁上，核算基础栅梁的最大挠度、最大应力和整体稳定性。例如，天津100万吨/年乙烯装置Φ12600汽油分馏塔急冷油循环段，二层“空间网架”梁（每层五根栅梁）分别各托起了8层折流板。用传统算法得出中央基础栅梁的最大挠度为f max=10.8毫米,允许挠度[f]=12600/900=14 毫米。