連續重整反應器中心管損壞原因分析及結構改進

李嘯東

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

由于器內介質沿徑向流動，流通面積增大，催化劑床層厚度減薄，阻力和壓降變小，因此，徑向重整反應器廣泛用于要求壓力降較低的連續重整裝置。但在操作一段時間后，作為反應器主要內構件的中心管，經常會出現不同形式、不同程度的損壞，造成昂貴的催化劑流失，裝置不得不臨時停工。中心管的損壞往往是不可預見的，有的是操作較長一段時間后發生，有的則是剛剛停工檢修、檢查后發生。這給安全、穩定生產造成很大影響，特別是給目前要求的裝置四年或五年一檢修的長周期運行帶來了極大的困難，亟待解決。

1 中心管

1.1 徑向重整反應器簡介

典型的向心式徑向重整反應器如圖1所示。油氣從上部(或側面)進入反應器，通過扇形筒(或外篩網)沿徑向通過催化劑床層，與催化劑反應后進入中心管，經出口引出設備;而催化劑則從上入口進入，在重力作用下緩慢流至下方，從出口流出。反應器通常在500～550 ℃高溫臨氫環境下操作。

1.2 中心管基本結構

中心管通常由開孔的內部圓筒和外部焊接條形篩網組成，材質為不銹鋼，見圖2。內部圓筒根據工藝要求開設一定數量的小孔。孔的大小、數量和布置方式是否合理是決定油氣在催化劑床層中流動是否均勻以及反應效果好壞與否的關鍵。同時，內部圓筒還要承擔支撐作用，承受所有壓力載荷。

圖1 向心式徑向重整反應器示意

內部圓筒外部包裹焊接條形篩網的主要目的是防止催化劑從中心管中流失。早期設計的中心管外部包裹不銹鋼金屬絲網，其特點是結構簡單、制造容易、價格低，但壓降大、強度低、對催化劑磨損大，不適合移動床的連續重整反應器。隨著制造技術的日益成熟和提高，強度高、壓降小、表面平整、光潔度高的焊接條形篩網已取代金屬絲網，用于連續重整反應器。

圖2 中心管結構

1.3 中心管設計計算

由圖1可知，中心管在操作時主要承受兩部分載荷，即介質流動造成的內、外壓力降(外高內低)和催化劑床層靜壓，因此，可將其視作一個受外壓的圓筒。通常設計時，假設承壓主體是內部有開孔的圓筒，需承擔所有外壓，而外部焊接條形篩網緊貼內筒，僅需計算兩支撐桿間的局部強度。設計計算中，內部圓筒和外部焊接條形篩網分別進行核算。

篩條按兩端固支梁公式計算【1】：

式中： [P]——最大允許外壓，MPa；

z——篩條斷面系數，mm3；

S——篩條許用應力，MPa；

l——支撐桿間距，mm；

W——篩條寬度，mm；

s——焊接條形篩網縫隙寬度，mm。

最大允許外壓[P]大于實際的床層壓降與床層靜壓之和，即可認為設計安全。

1.4 中心管加工制造

中心管加工制造需分步預制，然后組焊在一起，主要步驟如下：

1) 焊接條形篩網預制。焊接條形篩網由楔形絲和支撐桿通過特殊的焊接工藝焊接成一個圓柱筒體，然后沿縱向剖開、展平，形成一片焊接條形篩網原材料。

2) 內部圓筒成形。將鉆好分布孔的鋼板卷制成所需尺寸的數個短筒節，然后再組焊成一個整體筒節。

3) 中心管組裝成形。將焊接條形篩網網片卷制成與內部圓筒弧度相對應的瓣片，然后緊貼內部圓筒逐一將瓣片的縱向焊接接頭和環向焊接接頭焊接完成，形成一個整體的中心管。

2 中心管損壞的原因分析

2.1 損壞形式

中心管的損壞多發生在其外表面包裹的焊接條形篩網，而內部圓筒很少損壞。典型的損壞形式有縱向焊接接頭處開裂和篩條斷裂等，如圖3和圖4所示。

圖3 縱向焊接接頭處開裂

圖4 篩條斷裂

2.2 原因分析

無論是圖3所示的縱向焊接接頭處開裂還是圖4所示的篩條斷裂都是由于外部焊接條形篩網承受不了外壓而發生失穩造成的。

2.2.1制造偏離

早期外部包裹的不銹鋼金屬絲網比較軟，易松動，可緊貼內部圓筒，因此基本不承擔外壓載荷。而強度和剛度高的焊接條形篩網取代金屬絲網后，制造時要使其緊貼內部圓筒非常困難。特別是內部圓筒是分段預制再拼接成形的，無論是圓度、直線度，還是同軸度、圓柱度都存在偏差，無法保證焊接條形篩網的支撐桿都能與內部圓筒緊貼，即在制造階段，焊接條形篩網與內部圓筒之間就存在間隙。因支撐點數量巨大，間隙大小無法有效控制，因而篩網與圓筒是否貼緊也無法判斷。

2.2.2操作時變形協調的偏離

由于焊接條形篩網制造成形的特殊性，其在受熱時，不是像鋼板一樣均勻地向四周膨脹，而是呈不規則性，因此在受外載荷時，變形也不一致。由于焊接條形篩網的這種特性，使其在反應器從安裝狀態轉變為操作狀態時，與內部圓筒變形不一致。特別是二者均有多條環向和縱向焊接接頭， 使得變形情況非常復雜， 有些在轉變為操作狀態后， 制造時二者之間存在的間隙消失了， 有些制造時緊緊貼合的反而出現間隙了， 完全是不可控的。

2.2.3偏離的影響

制造和操作變形協調的偏離，使實際使用情況偏離設計假設，超出設計安全范圍，中心管的外部焊接條形篩網需單獨承受超出原設計條件的部分載荷，相當于一個承受外壓的圓筒。這個“圓筒”部分與內部圓筒接觸，部分已脫離，造成局部超載的情況。當超載失穩后，首先破壞的是強與弱的連接部位，即焊接條形篩網縱向焊接接頭處，如圖3所示。由于事先無法發現破壞的征兆，出現問題后又無法及時更換或有效修補損壞部件，只能采取臨時補焊的方式進行處理，隨后繼續開工。因臨時修補措施不當，進而又會出現外壓圓筒失穩的典型破壞形式，即局部失穩后大面積失穩，如圖4所示。

在裝置新開工時，由于中心管是新材料制成的，強度裕量較大，不易出現破損的情況。在高溫運行一段時間后，隨著材料性能的下降【2】以及變形協調不一致情形的加劇，通常兩支撐桿之間的間距會由40 mm左右增加到超過1000 mm甚至更大，原結構不足以承受外部載荷，隨即出現破損。

2.3 中心管的停工檢查

對于中心管的損壞，有些情況是有先兆的，在停工檢修時要密切注意。需檢查的關鍵部位如下：

1) 焊接條形篩網縱向焊接接頭附近；

2) 焊接條形篩網環向焊接接頭附近；

3) 焊接條形篩網表面。

如果這幾個部位出現異常，如局部隆起、過量變形、縫隙超差較大等，即有可能已經出現外壓失穩的情況了，需提前制定應對措施。

根據異常情況的程度，通常可以考慮如下措施：

1) 中心管整體更換；

2) 外部焊接條形篩網局部或整體更換；

3) 降低操作負荷。

3 設計修正和結構改進

通過設計修正和結構改進可以延長中心管的使用壽命。此方法適用于新設計項目和內件更換項目。

3.1 設計修正

實際使用時，由于外部的焊接條形篩網與內部圓筒之間存在間隙，無法對所有支撐桿起到有效的支撐作用，因此，外部焊接條形篩網篩條的計算長度會遠遠超出兩相鄰的支撐間距。通常可以通過增加篩條和支撐桿間的結合力以及增大篩條和支撐桿的厚度、高度的方法來解決篩條實際計算長度增加的問題，以滿足實際最大允許外壓大于床層壓降與床層靜壓之和的要求。由于中心管開孔率的控制點在內部圓筒，此修改不會影響中心管的工藝性能。

3.2 結構改進

控制外部焊接條形篩網的分段長度，不能根據加工能力任意選取，其兩端應按承受外壓圓筒的固定端設計，而不是僅僅作為拼接接頭處理，使其既能夠對外部的焊接條形篩網起到有效的加強作用，又能夠適當縮短外壓計算長度，做到有效、經濟、合理。

4 結語

1) 連續重整反應器中心管損壞的主要原因是實際情況與設計假設偏離，超出設計安全范圍，從而造成中心管失穩破壞。通過采用設計修正和結構改進措施，可有效地延長中心管的使用壽命。

2) 在停工檢修階段，加強對中心管關鍵部位的檢查，一旦發現損壞的征兆，立即采取相應補救措施。