催化裂化外取熱器管束結構設計及計算

呂連杰，王 斌

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催化裂化外取熱器管束結構設計及計算

呂連杰，王 斌

（中國石油工程建設有限公司華東設計分公司，山東 青島 266071）

外取熱器是催化裂化裝置中保持反應器、再生器熱平衡的主要設備。詳細介紹了下流式外取熱器翅片式管束的特點，并從選材、結構設計、強度計算和制造檢驗幾方面對其分析。

外取熱器; 選材; 計算; 結構設計

外取熱器是一種由水作介質并流經管內（或殼內），吸收高溫催化劑熱量，發生蒸汽，完成熱量轉移，維持裝置熱平衡的設施[1-4]。

隨著催化裂化裝置加工原料的重質化和摻渣比的不斷提高，裝置反應生焦量和過剩熱相增大，過剩的熱量必須轉移出去，否則將會引起催化劑水熱失活。水熱失活將對催化劑產生破壞作用。轉移熱量的辦法就是對催化劑進行冷卻，即取熱。因此外取熱器在重油催化裂化裝置中的作用異常重要[1]。

外取熱器技術在催化裂化裝置中已經得到廣泛的應用，但由于外取熱器是從高溫催化劑中取熱，工作條件十分惡劣，并且催化裂化裝置外取熱器換熱管的結構復雜，連接形式變化多樣，而且熱負荷分布不均勻，實際應用中許多廠家都發生過外取熱器管束焊縫拉裂、磨損及腐蝕穿孔等問題。這些問題不但使外取熱器的使用壽命大為縮短，而且反應再生系統內的多余熱量不能及時取出而嚴重影響生產[5-7]。

1 外取熱器的結構

外取熱器實際上是一種立置管殼式蒸汽發生器。它主要有三部分組成：封頭和筒體組成的殼體、取熱管束和催化劑循環管道。

目前外取熱器均采用管程走汽水混合物的類型。管束有蛇管式管束、垂直列管上下聯箱式管束、雙管板套管式管束、帶翅片的單元套管等幾種結構類型。帶翅片的單元套管利用提升輸送風，在密相狀態下強化傳熱，線速較低，催化劑磨損較小。取熱管外壁的翅片大大增加了傳熱面積，能達到光管面積的2.5～3.2倍，使設備結構更加緊湊。同時也增加了高溫催化劑顆粒與取熱管（翅片）的碰撞機會，在有氣泡存在的流化床內，翅片又起到了破壞氣泡的作用，從而進一步強化了傳熱。這種管束可提高整體傳熱效果。在熱負荷一定時，翅片管的壁溫低于光管的壁溫，在給定傳熱面積時，外取熱器殼體尺寸比光管的小得多，從而節省了投資[2]。

2 指定條件下外取熱器帶翅片管束的設計

管束工藝設計條件：

1）蒸發部分取熱管，外管直徑Φ325，內管直徑Φ219，每根取熱管長7 000 mm，每組翅片44根，翅片長7 000 mm，高30 mm；

2）正常操作壓力4.22 MPa（G），正常操作溫度255 ℃；最高操作壓力4.7 MPa（G），最高操作溫度262 ℃。

3）進水管：DN150，汽水混合物出口管：DN200。

2.1 材料選擇

一般取熱管選用碳素鋼管或Cr-Mo鋼管，既經濟又合理。對于汽水介質下的管子，壁溫均低于350 ℃，可選用20號或20G為內外管材料。

本設計條件下由于內管介質為除氧水，壁溫低于350 ℃，材質選用20G;外管內側走汽水混合物，最高操作溫度為262 ℃，但是外側跟高溫催化劑接觸，故外管材質選用15CrMo。套管和外管上部均選用20G。取熱管材料選擇如圖1所示。

圖1 取熱管材料選擇

2.2 取熱管結構設計

為了滿足工藝煙氣返回口高度要求，實際取熱管長度達到13 m，有效換熱長度（即翅片長度為7 m）?？s小，內、外管結構均采用過渡段連接的縮徑結構；

本次設計鋼管規格如圖2所示：

圖2 取熱管結構

為了防止高溫催化劑對管束外表面的直接沖刷，在催化劑入口處管束上增加耐磨防護結構，增強外取熱器管束抗沖刷耐磨損的能力。

2.3 管束的內管底端與外套管底部內側距離

內管底端距外套管封頭內側距離h直接影響外取熱器的安全運行。若間隙過小，水循環阻力大，套管底部易積垢，嚴重時將堵塞循環通道。若間隙過大，將易出現流量脈動，并引起溫度脈動，嚴重時將使管壁產生熱疲勞，從而影響管子的使用壽命。推薦=1.5（為內管直徑）。

2.4 翅片設計

由于翅片跟高溫催化劑接觸，環境溫度很高，與外管相焊，材料選用15CrMoR。為了減少翅片與外管的焊接應力，在翅片上開設膨脹縫。

2.5 管束導向架和定位塊設計

垂直翅片管束內外套管結構，因每組管束高達10 m，只有上部一端固定，為使各取熱管熱負荷趨于一致和減少管束的振動，應在管束底部增加導向架。材料均可選用S30408不銹鋼。

為保證在套管的全部長度上內外管同心，在內管的外壁上應隔1 500 mm左右的間距焊上定位塊。定位塊與內管相焊，環境溫度均低于350 ℃，材料選用碳鋼即可。

2.6 管束與頂封頭連接部位套管設計

垂直翅片管束內外套管結構每根管束重約2.5噸，只有上部與頂封頭固定，采用套管焊接在封頭的結構，這樣做既可以增加封頭強度，又可以保證管束在高溫下自由的伸縮，避免管束焊縫被拉裂。套管規格為Φ325×14。

3 強度校核

3.1 取熱管φ325X14校核

表1 取熱管φ325X14設計條件

內壓計算

計算厚度按GB150 式(3 - 2)計算

=o/(2[]+)

= 5×325／(2×111.6×1+5) = 7.121

有效厚度δ=δ- C2- C1 = 14-2-1.75 = 10.25

最大允許工作壓力按GB150.3 式(3-7)計算

[p] = 2[]tφδ/(o-δ)

= 2×111.6×1×10.25/(325-10.25) = 7.268 63

壓力試驗時，圓筒應力校核

壓力試驗類型 液壓試驗（臥式）

試驗壓力8.79256 MPa

有效厚度δ=δ-C2-C1=14-2-1.75 = 10.25mm

試驗壓力下，圓筒的應力

= (×9.81×10-9)(D+δ)/(2δ)

=(8.79256×1000×9.81×10-9)×(297+10.25)/(2×10.25)=135 MPa

液壓試驗時，圓筒的應力= 135≤0.9= 0.9×1×235= 211.5校核通過 !

3.2 取熱管φ273X14強度校核

內壓計算

計算厚度按GB150.3 式(3 - 1)計算

=o/(2[]-)

= 5×245／(2×111.6×1-5) = 5.614 mm

有效厚度δ=δ- C2- C1 = 14-2-1.75 = 10.25最大允許工作壓力按GB150.3 式(3-7)計算

[p] = 2[]tφδ/(D+δ)

= 2×111.6×1×10.25/(245+10.25) = 8.96398 MPa

表2 取熱管φ273X14設計條件

壓力試驗時，圓筒應力校核

壓力試驗類型 液壓試驗（臥式）

試驗壓力7.24826 MPa

有效厚度δ=δ-C2-C1 = 14-2-1.75 = 10.25 mm

試驗壓力下，圓筒的應力

= (×9.81×10-9)(D+δ)/(2δ)

=(7.24826×1000×9.81×10-9)×(245+10.25)/(2×10.25)

=90.25 MPa

液壓試驗時，圓筒的應力= 90.25≤0.9= 0.9×1×245= 220.5校核通過 !

4 管束的制造檢驗及安裝要求

（1）所有A、B類焊接接頭均應采用GB/T985.1或GB/T986.2中雙面坡口全熔透對接接頭型式，對無法進行雙面焊的對接接頭，應采用氬弧焊打底的單面坡口全熔透結構。

（2）所有與Cr-Mo鋼之間的焊接均應焊前預熱焊后熱處理，所有翅片管均應進行焊后熱處理。

（3）翅片與取熱管焊接時，應采取適當的工藝措施控制取熱管的變形（嚴禁采用通水降溫的工藝手段），保證翅片間的距離誤差不大于1 mm，取熱管全長的直線度偏差應不大于5 mm，并不得發生熔穿取熱管的現象。

（5）在任何情況下，Cr-Mo鋼元件之間或Cr-Mo鋼與碳鋼之間的受壓焊接接頭均不得采用奧氏體型焊接材料。

（6）不允許采用強力組裝，以免產生過大的安裝應力。

5 結束語

1）本外取熱器管束采取了下流式結構設計，采用帶翅片的單元套管形式，其結構特點是增加了傳熱面積，使設備結構更加緊湊；同時翅片又起到了破壞氣泡的作用，進一步強化了傳熱。

2）取熱管內管兩側介質為汽水混合物，溫度較低，選用20號或20G；取熱管外管下部與高溫催化劑接觸傳熱部位溫度較高，選用15CrMo。

3）催化劑入口處的取熱管上增設耐磨防護結構，增強外取熱器管束抗沖刷耐磨損的能力；管束底部設置導向架，減少管束的變形和振動。

4）管束與頂封頭連接部位采用套管結構，避免取熱管直接與封頭相焊，既可增加封頭強度，又可保證管束在高溫下自由的伸縮。

5）取熱管下部規格為φ325×14，上部規格為 φ273×14完全滿足強度計算要求。

[1] 譚遠鵬．催化裂化裝置外取熱器自然循環水動力特性計算與分析[D] ．中國石油大學（華東），2007.

[2] 韓江聯. 淺論外取熱器[J]. 催化裂化, 1998,17（6）: 24-30.

[3] 張勤.淺談外取熱器的使用與管理[J]. 煉油技術與工程, 2004, 34（11）:16-18。

[4] 劉硯.100Mt/a催化裂化裝置外取熱器計算及設計[J]. 化工裝備技術, 2012,33（2）:43-44.

[5] 楊家兵.重油催化裂化裝置外取熱器管束、襯里損壞原因分析及處理對策[J].石油化工設備技術, 2009,30（1）: 35-37.

[6] 張艷紅，徐云啟.四催化外取熱器爆管原因分析[J].東北電力技術, 2008（1）: 30-34。

[7] 陸繼峰，楊惠谷. 催化裝置外取熱器蒸發管斷裂原因及其處理措施 [J]. 化工裝備技術, 2005, 26（3）: 50-5337-40．

Structure Design and Calculation of External Cooler in Catalytic Cracking Unit

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（CPECC East-China Design Branch, Shandong Qingdao 266071, China）

External cooler is main equipment for keeping thermal balance of reactor and regenerator in catalytic cracking unit. In this article, characteristics of downward external cooler finned tubes were introduced, and material selection, structure design, strength calculation, manufacture and test of the external cooler were described.

external cooler; material selection; calculation ;structure design

2017-02-04

呂連杰（1983-），男，工程師，山東省青島市人，2008年畢業于中國石油大學（華東）過程裝備與控制工程專業，研究方向：從事壓力容器設計工作。

TQ 052

A

1004-0935（2017）03-0229-03