制氫裝置轉化爐受力分析與改進

鄭書娟

摘要：根據遼河油田油氣工程技術處化工一公司制氫裝置轉化爐實際運行中存在的問題，分析管系在熱狀態下的受力情況，從而提出相應的改進措施。

關鍵詞：轉化爐;出口管系;裂紋

1轉化爐管系存在問題及受力分析

1.1轉化爐結構

轉化爐輻射段為方箱型頂燒爐，爐膛內爐管為豎琴式管排結構，爐管上部通過豬尾管與上集氣總管連通，下部通過錐形頭與下集氣管連接。下集氣管通過焊接三通方式與轉化爐下集氣總管連接，并以焊接三通為支點形成懸臂結構，懸臂下設有方型限位盒，兩端各套了一個“0”型限位結構，方型限位盒限制下集氣管徑向水平位移，“0”型限位結構限制下集氣管徑向位移。

轉化爐頂部的恒力彈簧吊架與轉化爐框架連接，每個彈簧吊架吊起兩根爐管，吊架額定拉力為兩根爐管及內部催化劑和相對應的下集氣管重量之和。按照設計理想狀態，下集氣管與限位支腿之間沒有作用力。熱態情況下，下集氣管向兩側膨脹，爐管向上膨脹。

1.2存在的問題及相關部位受力分析

1.2.1下集氣管焊接三通焊縫弧頂及“O”型限位結構與爐底連接處開裂受力分析

下集氣管長10米，爐管長12米。熱狀態下，下集氣管向兩側產生膨脹位移，與之相連接的爐管下部同步產生位移。每根爐管受到向上的拉力將作用在下集氣管上，在此拉力作用下，下集氣管兩側向上發生位移，而“O”型限位結構產生相反方向的作用力，造成“O”型限位結構與支腿的焊縫開裂。爐管受到向上的拉力可以分解為向上和水平向內的兩個分力，由于兩側水平向內的分力相互抵消，而下集氣管受到垂直向上的分力與三通焊縫的肩部、弧頂部形成杠桿。根據杠桿原理，以O為支點，FILOA=F2LOB，由于力臂LOA遠遠大于LOB，所以，作用在焊縫B點處F2向下壓力很大，極可能造成B處出現裂紋。同理若以B為支點，極可能造成0處出現裂紋，從現場三通處的焊縫開裂位置觀察也驗證了此現象。

1.2.2限位支腿沿下集氣管軸向發生位移

在出現下集氣管氣體泄漏問題后，進行停車檢查，發現限位盒內限位支腿沿著下集氣管軸向發生了位移。說明限位支腿受到了力的作用，而只有下集氣管與限位支腿發生接觸產生壓力。在壓力作用下，當下集氣管發生位移時與支腿之間產生摩擦力，使支腿發生位移，產生破壞作用。

豬尾管能夠吸收轉化爐管的向上膨脹位移。每根豬尾管受到向上作用力，根據力的作用原理，同時存在向下反作用力，每根豬尾管受力情況相同。原設計豬尾管水平段長度過短，柔性不足，剛性過強，向下釋放力過大，下集氣管與支腿間產生摩擦力，帶動支腿上部沿下集氣管軸線方向產生位移。

根據以上分析，下集氣管受到爐管相當于向上的拉力，并且隨著距離三通位置越遠熱膨脹產生的位移越大，該拉力也越大。而豬尾管因每根爐管的膨脹量基本相同，向下反作用的壓力也相同。這樣下集氣管所受的拉力與壓力產生合力，這個合力在靠近三通位置向下釋放，在下集氣管沿著軸向膨脹時，產生摩擦力使支腿發生位移;而作用在兩端的合力向上釋放，使“0”型限位結構發生形變，并在與支腿焊接處產生裂紋。根據現場勘查，靠近三通位置的支腿移動較大，而兩端“0”型限位結構的支腿沒有位移，但是“0”型結構變成了豎起的橢圓形，正好也驗證上述分析。

2改進措施

2.1焊接三通改為整體鍛造五通

將下集氣管焊接三通部分去掉改為incoloy800H整體鍛造五通件，整體鍛造可避免在薄弱位置處產生焊縫，使金屬能夠保持完整的金屬流線，并且將該五通件的壁厚增加了原來厚度的一倍，以此來增強三通的強度。

2.2調整限位結構

將下集氣管兩端的“0”型限位結構改成“U”型限位結構，允許下集氣管有一定的向上位移，但是，限制水平方向旋轉產生位移。

2.3增加豬尾管的水平臂長度

根據杠桿作用原理可知，由于爐管向上的熱膨脹量是一定的，因此增加豬尾管水平管段的長度，可以減小向下反作用力。

3結束語

針對制氫裝置轉化爐下集氣管三通開裂，兩端的“0”型限位結構連接處開裂，限位支腿發生位移的問題，對轉化爐熱狀態下管系進行受力分析。提出采用整體鍛造五通件， “0”型限位結構改為“U”型，增加豬尾管的水平臂長度一系列措施，來提高轉化爐運行的安全性和可靠性，解決了生產中實際問題。

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