摘要：烟机入口管道FL104的设计,包括管道布置、材质选择、管道的支撑、热补偿方案以及应力计算、技术要求。管道施工后运行状况良好。
关键词： 应力水平 应力计算 流变学 烟机入口管道 管嘴受力 补偿器
2019年年初,某大型国企重油催化裂化装置,烟机B-101入口管道FL104由于管道和补偿器多处发生泄漏,委托我院进行烟机入口管道FL104的更新设计。
1、烟气管道介绍
催化裂化是石油二次加工的主要方法之一,在高温和催化剂的作用下使重质油发生裂化反应,转变为裂化气、汽油、柴油等产品。其中的催化剂再生过程会产生大量的热量存在于再生烟气中,将再生烟气引入烟气轮机(烟机)回收其压力能和热能带动主风机做功,达到能量回收的目的。
烟机是催化裂化装置能量回收单元的核心设备,烟机在高温及催化剂粉尘的烟气中工作,转速高达6000～7000r/min,因此烟机管口的受力要求极为严格,NEMASM23《机械传动用汽轮机》(美国电气制造商协会标准)中对烟机管口荷载有明确的规定。
本次设计的烟机入口管道FL104:介质为再生烟气,操作温度680℃,操作压力～0.3MPa。再生烟气经三旋分离催化剂颗粒后进入烟机。此次设计要求改善管道的应力水平,满足烟机管口受力要求。
2、烟气管道材质选择
烟气操作温度680℃,为防止烟气中携带的催化剂颗粒损坏叶片,烟气管道不得采用带衬里的冷壁设计(衬里管道),不锈钢材质既抗高温又耐烟气酸性腐蚀。原来设计的管道材质是0Cr19Ni9(即S30408),这次设计选用07Cr17Ni12Mo2Ti(即S31609),从化学成分和许用应力比较两者间的差别如表1所示。
表1奥氏体不锈钢的化学成分如下(质量分数/%)
表中数据引自GB/T24511《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》。比较S30408与S31609的化学成分,S31609中增加了Mo元素。而Mo元素除了可提高钢的抗蚀性能外,更是提高钢材热强性最有效的合金元素。
奥氏体不锈钢最大作用应力见表2。
表2奥氏体不锈钢在各温度(℃)下的最大许用应力(MPa)
表2中数据引自《ASME锅炉及压力容器规范第II卷—材料D篇性能》。比较S30408与S31609的许用应力,在温度680℃下S31609具有更高的许用应力。材料能承受更大的荷载、更高的应力。因此也更安全。
3、烟气管道的布置
管道布置依据设备平面布置确定。本次设计三旋CY102和烟机BE101的位置不变,管道的走向不变。管道平竖面布置图详见图1。
图1管道平竖面布置图
图中关键节点号如下:
节点10为三旋出口管嘴;节点40.41为EJ1膨胀节1;
节点30为弹簧支架;节点55.56为EJ2膨胀节2;
节点65为导向支架;节点70.71为EJ3膨胀节3;
节点75.120为摆式支架;节点130.140为EJ4膨胀节4;
节点90为弹簧吊架;节点150.160为滚动支架;
节点170为烟机入口管嘴;
4、管道的支撑
管道支撑仍采用原来的设计方案。
1)竖管上设弹簧支架承受竖管重量,降低管道对三旋的作用力。弹簧支架生根于三旋(生根处初始位移4mm↑)。
2)水平管道上设置导向支架,减少或消除烟机管口的侧向力和力矩。
3)在高温平板闸阀和电液高温蝶阀两侧设置中心支撑的摆式支架。
4)烟机入口附近设置中心支撑的可调式滚动支架。
5)为避免焊接应力,支架与管道之间采用套筒结构,不直接焊接。
本次设计在高温平板闸阀和电液高温蝶阀之间增加了1个弹簧吊架,减轻了阀门两侧摆式支架的荷载,详见图1。
5、管道热补偿方案
管材S31609在680℃温度下的热膨胀量12.47mm/m,管道L竖向=17.4m,竖向(Y)膨胀量:17.4×12.47=217mm;L水平=19.6m,水平方向膨胀量:19.6×12.47=244mm。为吸收管道的热涨量,减少热态时作用在烟机入口管嘴上的力和力矩,本次设计采用了如下的热补偿方案:
1)仍然采用三铰链布置,利用3个单式铰链型补偿器的角变形来吸收管道的热膨胀量,补偿器在管道上的位置不变,详见图1所示。
铰链型补偿器最关键的是补偿器的弯曲刚度。补偿器的弯曲刚度越小,变形后的反力越小,烟机入口管嘴的推力越小。补偿器样本上有满足温度压力要求的特定型号,对应的补偿器弯曲刚度可以输入CAESARII管道应力分析软件,查看计算结果,并依据NEMASM23中烟气轮机管嘴受力的要求来反选补偿器的刚度。
2)本次设计中在水平管段靠近烟机入口增加了一个复式万向铰链型补偿器,吸收管道的横向位移以降低管道安装偏差而产生的弯矩。
3)经过计算,本次设计补偿器的选型和具体参数如下(补偿器波壳:Inconel625)。
EJ1:WSH56-0.35-4-2100弯曲刚度5620N.m/°,最大角位移±2°,接管316H ∮1 420X12。
EJ2:WSH56-0.35-6-2290弯曲刚度:3750N.m/°,最大角位移±5°,接管316H ∮1 420X12。
EJ3:WSH48-0.35-4-1820弯曲刚度:4790N.m/°,最大角位移±5°,接管316H ∮1 220X10。
EJ4:WCU48-0.35-2X2-2000横向刚度:458N/mm最大横向位移103mm,接管316H ∮1 220X10。
4)为了减少铰链型补偿器的角位移,延长补偿器的使用寿命,采取了冷态预变形措施(即冷紧措施),分别在Y向和Z向实施冷紧,冷紧量取Y向和Z向的热涨量的约二分之一,即竖管预拉107mm,水平管上预拉140mm,这样铰链型补偿器的冷态预变形角度与热态变形角度大致相等方向相反。详见图2-图3。
图2冷态预变形图
图3热态预变形图
6、管道应力计算
运用CAESARII2013应力分析软件,详细计算管道应力以及管道对烟机的荷载和作用力。
满足管道的安全性应保证以下几个方面:
1)管道的一次应力不得大于其最高设计温度下的许用应力;
2)管道的二次应力不超过其最高设计温度下的热胀许用应力范围;
3)烟机管嘴所受作用力满足NEMASM23中对汽轮机管嘴受力的规定,包括两个部分:
(1)单一管道作用于烟机轮机管嘴的力和力矩应满足条件(英制单位):
3F+M≤500*D(used)
(2)合力和合力矩应满足条件(英制单位,本次设计忽略):
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
节点号详见图1。输入节点信息时应注意以下几点:
(1)三旋管口的输入:三旋管口在热态时有设备本体产生的热涨量称为管口初始位移。三旋裙座部分碳钢平均温度47℃,三旋本体衬里碳钢冷壁温度120℃,三旋烟气抽出管口S31609热壁温度680℃,计算得三旋综合位移为(0,12.1,16.3)。
三旋设备直接作为管单元输入也可以,会得到一致的结果。
(2)烟机管口的输入:烟机入口机壳中心轴线上有固定支撑,取此处为固定节点,管道对此节点的作用力即为管道对烟机的作用力。
(3)单式铰链型补偿器的输入:用一轴向刚度、横向刚度和扭转刚度无穷大的零长度补偿器来输入,弯曲刚度按样本输入,同时输入约束,约束的作用线总是垂直于铰的轴向,没有盲板力;
(4)复式万向铰链型补偿器的输入:按有限长度波纹补偿器模拟,横向刚度按样本输入,其余刚度取无穷大,没有盲板力。
(5)冷紧点的输入:选择软件库中的18号材质CUTSHORT(COLDSPRING),程序将自行处理冷紧。
6.2运行错误检查、编辑管系的载荷工况后运行程序
6.3解读应力分析报告
(1)管道一、二次应力分析结果报告见表1。
表1管道一、二次应力分析结果报告表
静力分析报告显示:管道一次应力、二次应力合格。
(2)节点约束荷载报告见表2。
表2节点约束荷载报告表
约束报告中节点170的约束载荷(力和力矩),反映了管道对烟机管口的作用。启动程序中的NEMASM23分析模块。结合业内实际经验,管嘴受力校核取标准允许值的1.85倍,将节点170的约束载荷导入,分析报告详见表3。
表3NEMASM23分析报告表
NEMASM23分析报告显示:烟气轮机管嘴受力合格。
7、技术要求
对管道的施工、保温材料、焊缝验收等作出技术要求,保证设计成品的质量:
1)管道为改善应力状况应尽量减少焊缝。
2)水平段管道应从烟机入口开始向外施工,使最后一道焊口尽量远离烟机。
3)应严格按设计要求留出预拉口,加临时连接件固定,并拆除膨胀节装运螺栓、弹簧支吊架和摆式支架定位销后,再进行管道的预拉组对焊接。
4)按设计要求调整摆式支架的角度及其下部的导向板间隙。
5)安装吊架时,吊架预变形3°(偏向三旋方向),以减少后续管道预拉对吊架的偏转。
6)管道施工完毕后,松开烟机入口法兰,在自由状态下检查管道对中情况。
7)图中所有焊缝除注明外,均需连续焊且焊脚高度等于较薄件厚度。
8)管道保温按SH3010《石油化工设备和管道隔热技术规范》进行施工及验收,保温材料密度应不大于200kg/m3,要求氯离子含量小于25×10-6。
9)管道所有焊缝应按GB50236《现场设备工业管道焊接工程施工及验收规范》进行100%射线探伤,射线探伤II级合格,管道不做水压试验。
10)管道按GB50235《工业管道工程施工及验收规范》进行施工及验收。
8、运行情况
2019年4月,烟机入口管道FL104施工后开工运行。
6月初,因补偿器厂家提供的导流筒壁厚不足,靠近烟机入口的补偿器导流筒脱落,经过加厚并且加固后,烟机重新开机运行,状况良好。
2020年2月,因生产计划烟机暂停,对管道、焊缝、补偿器等全面进行了检查,一切正常。
从运行情况以及检查情况可以看出,本次设计符合预定目标。
9、结语
本次设计结合运行状况,总体良好,仍有一些不足之处,总结如下:
1)烟机入口应保证足够长的直管段,稳定烟气状态,由于场地的限制无法做到。
2)由于供货的波纹管补偿器的导流筒壁厚不足,导致烟机受损。应提醒厂家烟气流速高,应采取必要措施应对。