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制氢装置转化炉受力分析与改进

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  摘要:根据辽河油田油气工程技术处化工一公司制氢装置转化炉实际运行中存在的问题,分析管系在热状态下的受力情况,从而提出相应的改进措施。
  关键词:转化炉;出口管系;裂纹
  1转化炉管系存在问题及受力分析
  1.1转化炉结构
  转化炉辐射段为方箱型顶烧炉,炉膛内炉管为竖琴式管排结构,炉管上部通过猪尾管与上集气总管连通,下部通过锥形头与下集气管连接。下集气管通过焊接三通方式与转化炉下集气总管连接,并以焊接三通为支点形成悬臂结构,悬臂下设有方型限位盒,两端各套了一个“0”型限位结构,方型限位盒限制下集气管径向水平位移,“0”型限位结构限制下集气管径向位移。
  转化炉顶部的恒力弹簧吊架与转化炉框架连接,每个弹簧吊架吊起两根炉管,吊架额定拉力为两根炉管及内部催化剂和相对应的下集气管重量之和。按照设计理想状态,下集气管与限位支腿之间没有作用力。热态情况下,下集气管向两侧膨胀,炉管向上膨胀。
  1.2存在的问题及相关部位受力分析
  1.2.1下集气管焊接三通焊缝弧顶及“O”型限位结构与炉底连接处开裂受力分析
  下集气管长10米,炉管长12米。热状态下,下集气管向两侧产生膨胀位移,与之相连接的炉管下部同步产生位移。每根炉管受到向上的拉力将作用在下集气管上,在此拉力作用下,下集气管两侧向上发生位移,而“O”型限位结构产生相反方向的作用力,造成“O”型限位结构与支腿的焊缝开裂。炉管受到向上的拉力可以分解为向上和水平向内的两个分力,由于两侧水平向内的分力相互抵消,而下集气管受到垂直向上的分力与三通焊缝的肩部、弧顶部形成杠杆。根据杠杆原理,以O为支点,FILOA=F2LOB,由于力臂LOA远远大于LOB,所以,作用在焊缝B点处F2向下压力很大,极可能造成B处出现裂纹。同理若以B为支点,极可能造成0处出现裂纹,从现场三通处的焊缝开裂位置观察也验证了此现象。
  1.2.2限位支腿沿下集气管轴向发生位移
  在出現下集气管气体泄漏问题后,进行停车检查,发现限位盒内限位支腿沿着下集气管轴向发生了位移。说明限位支腿受到了力的作用,而只有下集气管与限位支腿发生接触产生压力。在压力作用下,当下集气管发生位移时与支腿之间产生摩擦力,使支腿发生位移,产生破坏作用。
  猪尾管能够吸收转化炉管的向上膨胀位移。每根猪尾管受到向上作用力,根据力的作用原理,同时存在向下反作用力,每根猪尾管受力情况相同。原设计猪尾管水平段长度过短,柔性不足,刚性过强,向下释放力过大,下集气管与支腿间产生摩擦力,带动支腿上部沿下集气管轴线方向产生位移。
  根据以上分析,下集气管受到炉管相当于向上的拉力,并且随着距离三通位置越远热膨胀产生的位移越大,该拉力也越大。而猪尾管因每根炉管的膨胀量基本相同,向下反作用的压力也相同。这样下集气管所受的拉力与压力产生合力,这个合力在靠近三通位置向下释放,在下集气管沿着轴向膨胀时,产生摩擦力使支腿发生位移;而作用在两端的合力向上释放,使“0”型限位结构发生形变,并在与支腿焊接处产生裂纹。根据现场勘查,靠近三通位置的支腿移动较大,而两端“0”型限位结构的支腿没有位移,但是“0”型结构变成了竖起的椭圆形,正好也验证上述分析。
  2改进措施
  2.1焊接三通改为整体锻造五通
  将下集气管焊接三通部分去掉改为incoloy800H整体锻造五通件,整体锻造可避免在薄弱位置处产生焊缝,使金属能够保持完整的金属流线,并且将该五通件的壁厚增加了原来厚度的一倍,以此来增强三通的强度。
  2.2调整限位结构
  将下集气管两端的“0”型限位结构改成“U”型限位结构,允许下集气管有一定的向上位移,但是,限制水平方向旋转产生位移。
  2.3增加猪尾管的水平臂长度
  根据杠杆作用原理可知,由于炉管向上的热膨胀量是一定的,因此增加猪尾管水平管段的长度,可以减小向下反作用力。
  3结束语
  针对制氢装置转化炉下集气管三通开裂,两端的“0”型限位结构连接处开裂,限位支腿发生位移的问题,对转化炉热状态下管系进行受力分析。提出采用整体锻造五通件, “0”型限位结构改为“U”型,增加猪尾管的水平臂长度一系列措施,来提高转化炉运行的安全性和可靠性,解决了生产中实际问题。
  参考文献:
  [1]崔继哲,化工机器与设备检修技术[M].北京:化学工业出版社,2000.
  [2]王德瑞,国内外制氢转化炉出口管系技术[J].炼油技术与工程,2009,39(3).
  [3]闫广豪,王德瑞,杨利然,陈强,满晓伟,制氢转化炉出口管系应力分析[J].炼油技术与工程,2014,44(9).
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