前沿拓展：

摘要：煙機入口管道FL104的設(shè)計,包括管道布置、材質(zhì)選擇、管道的支撐、熱補償方案以及應(yīng)力計算、技術(shù)要求。管道施工后運行狀況良好。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)力水平 應(yīng)力計算 流變學(xué) 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B-101入口管道FL104由于管道和補償器多處發(fā)生泄漏,委托我院進行煙機入口管道FL104的更新設(shè)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(zhì)油發(fā)生裂化反應(yīng),轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸦瘹?、汽油、柴油等產(chǎn)品。其中的催化劑再生過程會產(chǎn)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(fēng)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(shè)備,煙機在高溫及催化劑粉塵的煙氣中工作,轉(zhuǎn)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(xié)會標(biāo)準(zhǔn))中對煙機管口荷載有明確的規(guī)定。

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

2、煙氣管道材質(zhì)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(shè)計(襯里管道),不銹鋼材質(zhì)既抗高溫又耐煙氣酸性腐蝕。原來設(shè)計的管道材質(zhì)是0Cr19Ni9(即S30408),這次設(shè)計選用07Cr17Ni12Mo2Ti(即S31609),從化學(xué)成分和許用應(yīng)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(xué)成分如下(質(zhì)量分數(shù)/%)

表中數(shù)據(jù)引自GB/T24511《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》。比較S30408與S31609的化學(xué)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(yīng)力見表2。

表2奧氏體不銹鋼在各溫度(℃)下的最大許用應(yīng)力(MPa)

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

3、煙氣管道的布置

管道布置依據(jù)設(shè)備平面布置確定。本次設(shè)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(guān)鍵節(jié)點號如下:

節(jié)點10為三旋出口管嘴;節(jié)點40.41為EJ1膨脹節(jié)1;

節(jié)點30為彈簧支架;節(jié)點55.56為EJ2膨脹節(jié)2;

節(jié)點65為導(dǎo)向支架;節(jié)點70.71為EJ3膨脹節(jié)3;

節(jié)點75.120為擺式支架;節(jié)點130.140為EJ4膨脹節(jié)4;

節(jié)點90為彈簧吊架;節(jié)點150.160為滾動支架;

節(jié)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(shè)計方案。

1)豎管上設(shè)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(shè)置導(dǎo)向支架,減少或消除煙機管口的側(cè)向力和力矩。

3)在高溫平板閘閥和電液高溫蝶閥兩側(cè)設(shè)置中心支撐的擺式支架。

4)煙機入口附近設(shè)置中心支撐的可調(diào)式滾動支架。

5)為避免焊接應(yīng)力,支架與管道之間采用套筒結(jié)構(gòu),不直接焊接。

本次設(shè)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(cè)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(tài)時作用在煙機入口管嘴上的力和力矩,本次設(shè)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(guān)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(yīng)的補償器彎曲剛度可以輸入CAESARII管道應(yīng)力分析軟件,查看計算結(jié)果,并依據(jù)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(shè)計中在水平管段靠近煙機入口增加了一個復(fù)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(chǎn)生的彎矩。

3)經(jīng)過計算,本次設(shè)計補償器的選型和具體參數(shù)如下(補償器波殼:Inconel625)。

EJ1:WSH56-0.35-4-2100彎曲剛度5620N.m/°,最大角位移±2°,接管316H?∮1?420X12。

EJ2:WSH56-0.35-6-2290彎曲剛度:3750N.m/°,最大角位移±5°,接管316H?∮1?420X12。

EJ3:WSH48-0.35-4-1820彎曲剛度:4790N.m/°,最大角位移±5°,接管316H?∮1?220X10。

EJ4:WCU48-0.35-2X2-2000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(tài)預(yù)變形措施(即冷緊措施),分別在Y向和Z向?qū)嵤├渚o,冷緊量取Y向和Z向的熱漲量的約二分之一,即豎管預(yù)拉107mm,水平管上預(yù)拉140mm,這樣鉸鏈型補償器的冷態(tài)預(yù)變形角度與熱態(tài)變形角度大致相等方向相反。詳見圖2-圖3。

圖2冷態(tài)預(yù)變形圖

圖3熱態(tài)預(yù)變形圖

6、管道應(yīng)力計算

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

滿足管道的安全性應(yīng)保證以下幾個方面:

1)管道的一次應(yīng)力不得大于其最高設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力;

2)管道的二次應(yīng)力不超過其最高設(shè)計溫度下的熱脹許用應(yīng)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(guī)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(yīng)滿足條件(英制單位):

3F+M≤500*D(used)

(2)合力和合力矩應(yīng)滿足條件(英制單位,本次設(shè)計忽略):

2FC+MC=250DC且

SFX≤50*DCSFY≤125*DCSFZ≤100*DC

SMX≤250*DCSMY≤125*DCSMZ≤125*DC

6.1建立管道模型

節(jié)點號詳見圖1。輸入節(jié)點信息時應(yīng)注意以下幾點:

(1)三旋管口的輸入:三旋管口在熱態(tài)時有設(shè)備本體產(chǎn)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(shè)備直接作為管單元輸入也可以,會得到一致的結(jié)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(jié)點,管道對此節(jié)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(zhuǎn)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(fù)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(zhì)CUTSHORT(COLDSPRING),程序?qū)⒆孕刑幚砝渚o。

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(yīng)力分析報告

(1)管道一、二次應(yīng)力分析結(jié)果報告見表1。

表1管道一、二次應(yīng)力分析結(jié)果報告表

靜力分析報告顯示:管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力合格。

(2)節(jié)點約束荷載報告見表2。

表2節(jié)點約束荷載報告表

約束報告中節(jié)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(jié)合業(yè)內(nèi)實際經(jīng)驗,管嘴受力校核取標(biāo)準(zhǔn)允許值的1.85倍,將節(jié)點170的約束載荷導(dǎo)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(shù)要求

對管道的施工、保溫材料、焊縫驗收等作出技術(shù)要求,保證設(shè)計成品的質(zhì)量:

1)管道為改善應(yīng)力狀況應(yīng)盡量減少焊縫。

2)水平段管道應(yīng)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(yīng)嚴格按設(shè)計要求留出預(yù)拉口,加臨時連接件固定,并拆除膨脹節(jié)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(yù)拉組對焊接。

4)按設(shè)計要求調(diào)整擺式支架的角度及其下部的導(dǎo)向板間隙。

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

6)管道施工完畢后,松開煙機入口法蘭,在自由狀態(tài)下檢查管道對中情況。

7)圖中所有焊縫除注明外,均需連續(xù)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(shè)備和管道隔熱技術(shù)規(guī)范》進行施工及驗收,保溫材料密度應(yīng)不大于200kg/m3,要求氯離子含量小于25×10-6。

9)管道所有焊縫應(yīng)按GB50236《現(xiàn)場設(shè)備工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)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(yè)管道工程施工及驗收規(guī)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(dǎo)流筒壁厚不足,靠近煙機入口的補償器導(dǎo)流筒脫落,經(jīng)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(chǎn)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(shè)計符合預(yù)定目標(biāo)。

9、結(jié)語

本次設(shè)計結(jié)合運行狀況,總體良好,仍有一些不足之處,總結(jié)如下:

1)煙機入口應(yīng)保證足夠長的直管段,穩(wěn)定煙氣狀態(tài),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(dǎo)流筒壁厚不足,導(dǎo)致煙機受損。應(yīng)提醒廠家煙氣流速高,應(yīng)采取必要措施應(yīng)對。

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