煙機(jī)入口管道FL104的更新設(shè)計和應(yīng)力計算

吳 蕾

（長嶺煉化岳陽工程設(shè)計有限公司，湖南岳陽 414000）

2019年年初，某大型國企重油催化裂化裝置，煙機(jī)B-101入口管道FL104由于管道和補償器多處發(fā)生泄漏，委托我院進(jìn)行煙機(jī)入口管道FL104的更新設(shè)計。

1 煙氣管道介紹

催化裂化是石油二次加工的主要方法之一，在高溫和催化劑的作用下使重質(zhì)油發(fā)生裂化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸦瘹狻⑵汀⒉裼偷犬a(chǎn)品。其中的催化劑再生過程會產(chǎn)生大量的熱量存在于再生煙氣中，將再生煙氣引入煙氣輪機(jī)（煙機(jī)）回收其壓力能和熱能帶動主風(fēng)機(jī)做功，達(dá)到能量回收的目的。

煙機(jī)是催化裂化裝置能量回收單元的核心設(shè)備，煙機(jī)在高溫及催化劑粉塵的煙氣中工作，轉(zhuǎn)速高達(dá)6 000～7 000r/min，因此煙機(jī)管口的受力要求極為嚴(yán)格，NEMA SM23《機(jī)械傳動用汽輪機(jī)》（美國電氣制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）中對煙機(jī)管口荷載有明確的規(guī)定。

本次設(shè)計的煙機(jī)入口管道FL104：介質(zhì)為再生煙氣，操作溫度680℃，操作壓力～0.3MPa。再生煙氣經(jīng)三旋分離催化劑顆粒后進(jìn)入煙機(jī)。此次設(shè)計要求改善管道的應(yīng)力水平，滿足煙機(jī)管口受力要求。

2 煙氣管道材質(zhì)選擇

煙氣操作溫度680℃，為防止煙氣中攜帶的催化劑顆粒損壞葉片，煙氣管道不得采用帶襯里的冷壁設(shè)計（襯里管道），不銹鋼材質(zhì)既抗高溫又耐煙氣酸性腐蝕。原來設(shè)計的管道材質(zhì)是0Cr19Ni9 （即S30408），這次設(shè)計選用07Cr17Ni12Mo2Ti（即S31609），從化學(xué)成分和許用應(yīng)力比較兩者間的差別如表1所示。

表1 奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分如下（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表中數(shù)據(jù)引自GB/T 24511《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》。比較S30408與S31609的化學(xué)成分，S31609中增加了Mo元素。而Mo元素除了可提高鋼的抗蝕性能外，更是提高鋼材熱強(qiáng)性最有效的合金元素。

奧氏體不銹鋼最大作用應(yīng)力見表2。

表2 奧氏體不銹鋼在各溫度（℃）下的最大許用應(yīng)力（MPa）

表2中數(shù)據(jù)引自《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范 第II卷—材料 D篇性能》。比較S30408與S31609的許用應(yīng)力，在溫度680℃下S31609具有更高的許用應(yīng)力。材料能承受更大的荷載、更高的應(yīng)力。因此也更安全。

3 煙氣管道的布置

管道布置依據(jù)設(shè)備平面布置確定。本次設(shè)計三旋CY102和煙機(jī)BE101的位置不變，管道的走向不變。管道平豎面布置圖詳見圖1。

圖1 管道平豎面布置圖

4 管道的支撐

管道支撐仍采用原來的設(shè)計方案。

1）豎管上設(shè)彈簧支架承受豎管重量，降低管道對三旋的作用力。彈簧支架生根于三旋（生根處初始位移4mm↑）。

2）水平管道上設(shè)置導(dǎo)向支架，減少或消除煙機(jī)管口的側(cè)向力和力矩。

3）在高溫平板閘閥和電液高溫蝶閥兩側(cè)設(shè)置中心支撐的擺式支架。

4）煙機(jī)入口附近設(shè)置中心支撐的可調(diào)式滾動支架。

5）為避免焊接應(yīng)力，支架與管道之間采用套筒結(jié)構(gòu)，不直接焊接。

本次設(shè)計在高溫平板閘閥和電液高溫蝶閥之間增加了1個彈簧吊架，減輕了閥門兩側(cè)擺式支架的荷載，詳見圖1。

5 管道熱補償方案

管材S31609在680℃溫度下的熱膨脹量12.47mm/m，管道L豎向=17.4m，豎向（Y）膨脹量：17.4×12.47=217mm；L水平=19.6m，水平方向膨脹量：19.6×12.47=244mm。為吸收管道的熱漲量，減少熱態(tài)時作用在煙機(jī)入口管嘴上的力和力矩，本次設(shè)計采用了如下的熱補償方案：

1）仍然采用三鉸鏈布置，利用3個單式鉸鏈型補償器的角變形來吸收管道的熱膨脹量，補償器在管道上的位置不變，詳見圖1所示。

鉸鏈型補償器最關(guān)鍵的是補償器的彎曲剛度。補償器的彎曲剛度越小，變形后的反力越小，煙機(jī)入口管嘴的推力越小。補償器樣本上有滿足溫度壓力要求的特定型號，對應(yīng)的補償器彎曲剛度可以輸入CAESAR II管道應(yīng)力分析軟件，查看計算結(jié)果，并依據(jù)NEMA SM23中煙氣輪機(jī)管嘴受力的要求來反選補償器的剛度。

2）本次設(shè)計中在水平管段靠近煙機(jī)入口增加了一個復(fù)式萬向鉸鏈型補償器，吸收管道的橫向位移以降低管道安裝偏差而產(chǎn)生的彎矩。

3）經(jīng)過計算，本次設(shè)計補償器的選型和具體參數(shù)如下（補償器波殼：Inconel 625）。

EJ1：WSH56-0.35-4-2100 彎曲剛度5 620N.m/°，最大角位移±2°，接管316H ∮1 420X12。

EJ2：WSH56-0.35-6-2290彎曲剛度：3 750N.m/°，最大角位移±5°，接管316H ∮1 420X12。

EJ3：WSH48-0.35-4-1820彎曲剛度：4 790N.m/°，最大角位移±5°，接管316H ∮1 220X10。

EJ4：WCU48-0.35-2X2-2000橫向剛度：458N/mm 最大橫向位移103mm，接管316H ∮1 220X10。

4）為了減少鉸鏈型補償器的角位移，延長補償器的使用壽命，采取了冷態(tài)預(yù)變形措施（即冷緊措施），分別在Y向和Z向?qū)嵤├渚o，冷緊量取Y向和Z向的熱漲量的約二分之一，即豎管預(yù)拉107mm，水平管上預(yù)拉140mm，這樣鉸鏈型補償器的冷態(tài)預(yù)變形角度與熱態(tài)變形角度大致相等方向相反。詳見圖2-圖3。

圖2 冷態(tài)預(yù)變形圖

圖3 熱態(tài)預(yù)變形圖

6 管道應(yīng)力計算

運用CAESAR II 2013應(yīng)力分析軟件，詳細(xì)計算管道應(yīng)力以及管道對煙機(jī)的荷載和作用力。

滿足管道的安全性應(yīng)保證以下幾個方面：

1）管道的一次應(yīng)力不得大于其最高設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；

2）管道的二次應(yīng)力不超過其最高設(shè)計溫度下的熱脹許用應(yīng)力范圍；

3）煙機(jī)管嘴所受作用力滿足NEMA SM23中對汽輪機(jī)管嘴受力的規(guī)定，包括兩個部分：

（1）單一管道作用于煙機(jī)輪機(jī)管嘴的力和力矩應(yīng)滿足條件（英制單位）：

3F +M≤ 500*D（used）

（2）合力和合力矩應(yīng)滿足條件（英制單位，本次設(shè)計忽略）：

2FC +MC=250DC且

SFX≤ 50*DC SFY≤125* DC SFZ≤100*DC

SMX≤250*DC SMY≤125*DC SMZ≤125*DC

6.1 建立管道模型

節(jié)點號詳見圖1。輸入節(jié)點信息時應(yīng)注意以下幾點：

（1）三旋管口的輸入：三旋管口在熱態(tài)時有設(shè)備本體產(chǎn)生的熱漲量稱為管口初始位移。三旋裙座部分碳鋼平均溫度47℃，三旋本體襯里碳鋼冷壁溫度120℃，三旋煙氣抽出管口S31609熱壁溫度680℃，計算得三旋綜合位移為（0，12.1，16.3）。

三旋設(shè)備直接作為管單元輸入也可以，會得到一致的結(jié)果。

（2）煙機(jī)管口的輸入：煙機(jī)入口機(jī)殼中心軸線上有固定支撐，取此處為固定節(jié)點，管道對此節(jié)點的作用力即為管道對煙機(jī)的作用力。

（3）單式鉸鏈型補償器的輸入：用一軸向剛度、橫向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度無窮大的零長度補償器來輸入，彎曲剛度按樣本輸入，同時輸入約束，約束的作用線總是垂直于鉸的軸向，沒有盲板力；

（4）復(fù)式萬向鉸鏈型補償器的輸入：按有限長度波紋補償器模擬，橫向剛度按樣本輸入，其余剛度取無窮大，沒有盲板力。

（5）冷緊點的輸入：選擇軟件庫中的18號材質(zhì)CUT SHORT（COLD SPRING），程序?qū)⒆孕刑幚砝渚o。

6.2 運行錯誤檢查、編輯管系的載荷工況后運行程序

6.3 解讀應(yīng)力分析報告

（1）管道一、二次應(yīng)力分析結(jié)果報告見表1。

表1 管道一、二次應(yīng)力分析結(jié)果報告表

靜力分析報告顯示：管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力合格。

（2）節(jié)點約束荷載報告見表2。

表2 節(jié)點約束荷載報告表

約束報告中節(jié)點170的約束載荷（力和力矩），反映了管道對煙機(jī)管口的作用。啟動程序中的NEMA SM23分析模塊。結(jié)合業(yè)內(nèi)實際經(jīng)驗，管嘴受力校核取標(biāo)準(zhǔn)允許值的1.85倍，將節(jié)點170的約束載荷導(dǎo)入，分析報告詳見表3。

表3 NEMA SM23分析報告表

NEMA SM23分析報告顯示：煙氣輪機(jī)管嘴受力合格。

7 技術(shù)要求

對管道的施工、保溫材料、焊縫驗收等作出技術(shù)要求，保證設(shè)計成品的質(zhì)量：

1）管道為改善應(yīng)力狀況應(yīng)盡量減少焊縫。

2）水平段管道應(yīng)從煙機(jī)入口開始向外施工，使最后一道焊口盡量遠(yuǎn)離煙機(jī)。

3）應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計要求留出預(yù)拉口，加臨時連接件固定，并拆除膨脹節(jié)裝運螺栓、彈簧支吊架和擺式支架定位銷后，再進(jìn)行管道的預(yù)拉組對焊接。

4）按設(shè)計要求調(diào)整擺式支架的角度及其下部的導(dǎo)向板間隙。

5）安裝吊架時，吊架預(yù)變形3°（偏向三旋方向），以減少后續(xù)管道預(yù)拉對吊架的偏轉(zhuǎn)。

6）管道施工完畢后，松開煙機(jī)入口法蘭，在自由狀態(tài)下檢查管道對中情況。

7）圖中所有焊縫除注明外，均需連續(xù)焊且焊腳高度等于較薄件厚度。

8）管道保溫按SH3010《石油化工設(shè)備和管道隔熱技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行施工及驗收，保溫材料密度應(yīng)不大于200kg/m3，要求氯離子含量小于25×10-6。

9）管道所有焊縫應(yīng)按GB50236《現(xiàn)場設(shè)備工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范》進(jìn)行100%射線探傷，射線探傷II級合格，管道不做水壓試驗。

10）管道按GB50235《工業(yè)管道工程施工及驗收規(guī)范》進(jìn)行施工及驗收。

8 運行情況

2019年4 月，煙機(jī)入口管道FL104施工后開工運行。

6月初，因補償器廠家提供的導(dǎo)流筒壁厚不足，靠近煙機(jī)入口的補償器導(dǎo)流筒脫落，經(jīng)過加厚并且加固后，煙機(jī)重新開機(jī)運行，狀況良好。

2020年2 月，因生產(chǎn)計劃煙機(jī)暫停，對管道、焊縫、補償器等全面進(jìn)行了檢查，一切正常。

從運行情況以及檢查情況可以看出，本次設(shè)計符合預(yù)定目標(biāo)。

9 結(jié)語

本次設(shè)計結(jié)合運行狀況，總體良好，仍有一些不足之處，總結(jié)如下：

1）煙機(jī)入口應(yīng)保證足夠長的直管段，穩(wěn)定煙氣狀態(tài)，由于場地的限制無法做到。

2）由于供貨的波紋管補償器的導(dǎo)流筒壁厚不足，導(dǎo)致煙機(jī)受損。應(yīng)提醒廠家煙氣流速高，應(yīng)采取必要措施應(yīng)對。