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前沿拓展：

摘要：煙機入口管道FL104的設計,包括管道布置、材質選擇、管道的支撐、熱補償方案以及應力計算、技術要求。管道施工后運行狀況良好。

關鍵詞： 應力水平 應力計算 流變學 煙機入口管道 管嘴受力 補償器

2019年年初,某大型國企重油催化裂化裝置,煙機B101入口管道FL104由于管道和補償器多處發生泄漏,委托我院進行煙機入口管道FL104的更新設計。

1、煙氣管道介紹

催化裂化是石油二次加工的主要方法之一,在高溫和催化劑的作用下使重質油發生裂化反應,轉變為裂化氣、汽油、柴油等產品。其中的催化劑再生過程會產生大量的熱量存在于再生煙氣中,將再生煙氣引入煙氣輪機(煙機)回收其壓力能和熱能帶動主風機做功,達到能量回收的目的。

煙機是催化裂化裝置能量回收單元的核心設備,煙機在高溫及催化劑粉塵的煙氣中工作,轉速高達6000～7000r/min,因此煙機管口的受力要求極為嚴格,NEMASM23《機械傳動用汽輪機》(美國電氣制造商協會標準)中對煙機管口荷載有明確的規定。

本次設計的煙機入口管道FL104:介質為再生煙氣,操作溫度680℃,操作壓力～0.3MPa。再生煙氣經三旋分離催化劑顆粒后進入煙機。此次設計要求改善管道的應力水平,滿足煙機管口受力要求。

2、煙氣管道材質選擇

煙氣操作溫度680℃,為防止煙氣中攜帶的催化劑顆粒損壞葉片,煙氣管道不得采用帶襯里的冷壁設計(襯里管道),不銹鋼材質既抗高溫又耐煙氣酸性腐蝕。原來設計的管道材質是0Cr19Ni9(即S30408),這次設計選用07Cr17Ni12Mo2Ti(即S31609),從化學成分和許用應力比較兩者間的差別如表1所示。

表1奧氏體不銹鋼的化學成分如下(質量分數/%)

表中數據引自GB/T24511《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》。比較S30408與S31609的化學成分,S31609中增加了Mo元素。而Mo元素除了可提高鋼的抗蝕性能外,更是提高鋼材熱強性最有效的合金元素。

奧氏體不銹鋼最大作用應力見表2。

表2奧氏體不銹鋼在各溫度(℃)下的最大許用應力(MPa)

表2中數據引自《ASME鍋爐及壓力容器規范第II卷—材料D篇性能》。比較S30408與S31609的許用應力,在溫度680℃下S31609具有更高的許用應力。材料能承受更大的荷載、更高的應力。因此也更安全。

3、煙氣管道的布置

管道布置依據設備平面布置確定。本次設計三旋CY102和煙機BE101的位置不變,管道的走向不變。管道平豎面布置圖詳見圖1。

圖1管道平豎面布置圖

圖中關鍵節點號如下:

節點10為三旋出口管嘴;節點40.41為EJ1膨脹節1;

節點30為彈簧支架;節點55.56為EJ2膨脹節2;

節點65為導向支架;節點70.71為EJ3膨脹節3;

節點75.120為擺式支架;節點130.140為EJ4膨脹節4;

節點90為彈簧吊架;節點150.160為滾動支架;

節點170為煙機入口管嘴;

4、管道的支撐

管道支撐仍采用原來的設計方案。

1)豎管上設彈簧支架承受豎管重量,降低管道對三旋的作用力。彈簧支架生根于三旋(生根處初始位移4mm↑)。

2)水平管道上設置導向支架,減少或消除煙機管口的側向力和力矩。

3)在高溫平板閘閥和電液高溫蝶閥兩側設置中心支撐的擺式支架。

4)煙機入口附近設置中心支撐的可調式滾動支架。

5)為避免焊接應力,支架與管道之間采用套筒結構,不直接焊接。

本次設計在高溫平板閘閥和電液高溫蝶閥之間增加了1個彈簧吊架,減輕了閥門兩側擺式支架的荷載,詳見圖1。

5、管道熱補償方案

管材S31609在680℃溫度下的熱膨脹量12.47mm/m,管道L豎向=17.4m,豎向(Y)膨脹量:17.4×12.47=217mm;L水平=19.6m,水平方向膨脹量:19.6×12.47=244mm。為吸收管道的熱漲量,減少熱態時作用在煙機入口管嘴上的力和力矩,本次設計采用了如下的熱補償方案:

1)仍然采用三鉸鏈布置,利用3個單式鉸鏈型補償器的角變形來吸收管道的熱膨脹量,補償器在管道上的位置不變,詳見圖1所示。

鉸鏈型補償器最關鍵的是補償器的彎曲剛度。補償器的彎曲剛度越小,變形后的反力越小,煙機入口管嘴的推力越小。補償器樣本上有滿足溫度壓力要求的特定型號,對應的補償器彎曲剛度可以輸入CAESARII管道應力分析軟件,查看計算結果,并依據NEMASM23中煙氣輪機管嘴受力的要求來反選補償器的剛度。

2)本次設計中在水平管段靠近煙機入口增加了一個復式萬向鉸鏈型補償器,吸收管道的橫向位移以降低管道安裝偏差而產生的彎矩。

3)經過計算,本次設計補償器的選型和具體參數如下(補償器波殼:Inconel625)。

EJ1:WSH560.3542100彎曲剛度5620N.m/°,最大角位移±2°,接管316H?∮1?420X12。

EJ2:WSH560.3562290彎曲剛度:3750N.m/°,最大角位移±5°,接管316H?∮1?420X12。

EJ3:WSH480.3541820彎曲剛度:4790N.m/°,最大角位移±5°,接管316H?∮1?220X10。

EJ4:WCU480.352X22000橫向剛度:458N/mm最大橫向位移103mm,接管316H?∮1?220X10。

4)為了減少鉸鏈型補償器的角位移,延長補償器的使用壽命,采取了冷態預變形措施(即冷緊措施),分別在Y向和Z向實施冷緊,冷緊量取Y向和Z向的熱漲量的約二分之一,即豎管預拉107mm,水平管上預拉140mm,這樣鉸鏈型補償器的冷態預變形角度與熱態變形角度大致相等方向相反。詳見圖2圖3。

圖2冷態預變形圖

圖3熱態預變形圖

6、管道應力計算

運用CAESARII2013應力分析軟件,詳細計算管道應力以及管道對煙機的荷載和作用力。

滿足管道的安全性應保證以下幾個方面:

1)管道的一次應力不得大于其最高設計溫度下的許用應力;

2)管道的二次應力不超過其最高設計溫度下的熱脹許用應力范圍;

3)煙機管嘴所受作用力滿足NEMASM23中對汽輪機管嘴受力的規定,包括兩個部分:

(1)單一管道作用于煙機輪機管嘴的力和力矩應滿足條件(英制單位):

3F+M≤500D(used)

(2)合力和合力矩應滿足條件(英制單位,本次設計忽略):

2FC+MC=250DC且

SFX≤50DCSFY≤125DCSFZ≤100DC

SMX≤250DCSMY≤125DCSMZ≤125DC

6.1建立管道模型

節點號詳見圖1。輸入節點信息時應注意以下幾點:

(1)三旋管口的輸入:三旋管口在熱態時有設備本體產生的熱漲量稱為管口初始位移。三旋裙座部分碳鋼平均溫度47℃,三旋本體襯里碳鋼冷壁溫度120℃,三旋煙氣抽出管口S31609熱壁溫度680℃,計算得三旋綜合位移為(0,12.1,16.3)。

三旋設備直接作為管單元輸入也可以,會得到一致的結果。

(2)煙機管口的輸入:煙機入口機殼中心軸線上有固定支撐,取此處為固定節點,管道對此節點的作用力即為管道對煙機的作用力。

(3)單式鉸鏈型補償器的輸入:用一軸向剛度、橫向剛度和扭轉剛度無窮大的零長度補償器來輸入,彎曲剛度按樣本輸入,同時輸入約束,約束的作用線總是垂直于鉸的軸向,沒有盲板力;

(4)復式萬向鉸鏈型補償器的輸入:按有限長度波紋補償器模擬,橫向剛度按樣本輸入,其余剛度取無窮大,沒有盲板力。

(5)冷緊點的輸入:選擇軟件庫中的18號材質CUTSHORT(COLDSPRING),程序將自行處理冷緊。

6.2運行錯誤檢查、編輯管系的載荷工況后運行程序

6.3解讀應力分析報告

(1)管道一、二次應力分析結果報告見表1。

表1管道一、二次應力分析結果報告表

靜力分析報告顯示:管道一次應力、二次應力合格。

(2)節點約束荷載報告見表2。

表2節點約束荷載報告表

約束報告中節點170的約束載荷(力和力矩),反映了管道對煙機管口的作用。啟動程序中的NEMASM23分析模塊。結合業內實際經驗,管嘴受力校核取標準允許值的1.85倍,將節點170的約束載荷導入,分析報告詳見表3。

表3NEMASM23分析報告表

NEMASM23分析報告顯示:煙氣輪機管嘴受力合格。

7、技術要求

對管道的施工、保溫材料、焊縫驗收等作出技術要求,保證設計成品的質量:

1)管道為改善應力狀況應盡量減少焊縫。

2)水平段管道應從煙機入口開始向外施工,使最后一道焊口盡量遠離煙機。

3)應嚴格按設計要求留出預拉口,加臨時連接件固定,并拆除膨脹節裝運螺栓、彈簧支吊架和擺式支架定位銷后,再進行管道的預拉組對焊接。

4)按設計要求調整擺式支架的角度及其下部的導向板間隙。

5)安裝吊架時,吊架預變形3°(偏向三旋方向),以減少后續管道預拉對吊架的偏轉。

6)管道施工完畢后,松開煙機入口法蘭,在自由狀態下檢查管道對中情況。

7)圖中所有焊縫除注明外,均需連續焊且焊腳高度等于較薄件厚度。

8)管道保溫按SH3010《石油化工設備和管道隔熱技術規范》進行施工及驗收,保溫材料密度應不大于200kg/m3,要求氯離子含量小于25×106。

9)管道所有焊縫應按GB50236《現場設備工業管道焊接工程施工及驗收規范》進行100%射線探傷,射線探傷II級合格,管道不做水壓試驗。

10)管道按GB50235《工業管道工程施工及驗收規范》進行施工及驗收。

8、運行情況

2019年4月,煙機入口管道FL104施工后開工運行。

6月初,因補償器廠家提供的導流筒壁厚不足,靠近煙機入口的補償器導流筒脫落,經過加厚并且加固后,煙機重新開機運行,狀況良好。

2020年2月,因生產計劃煙機暫停,對管道、焊縫、補償器等全面進行了檢查,一切正常。

從運行情況以及檢查情況可以看出,本次設計符合預定目標。

9、結語

本次設計結合運行狀況,總體良好,仍有一些不足之處,總結如下:

1)煙機入口應保證足夠長的直管段,穩定煙氣狀態,由于場地的限制無法做到。

2)由于供貨的波紋管補償器的導流筒壁厚不足,導致煙機受損。應提醒廠家煙氣流速高,應采取必要措施應對。

拓展知識：