破裂泄漏乙烯裂解爐管線應(yīng)力校核

苑 野 鐘 源 中石油東北煉化工程公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

某公司裂解裝置共有六臺(tái)5t裂解爐。乙烯裝置裂解爐管線的設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析由國(guó)外工程公司完成，每臺(tái)裂解爐配備一臺(tái)清焦罐。裝置運(yùn)行后，國(guó)內(nèi)乙烯裂解爐專業(yè)工程公司對(duì)清焦線進(jìn)行了改造，取消了3臺(tái)清焦罐，兩臺(tái)裂解爐共用一臺(tái)清焦罐。將裂解爐F－0101和F－0201的清焦氣管線合并一起進(jìn)入同一清焦罐，F(xiàn)－0301和F－0401、F－0501和F－0601的清焦氣管線也做了同樣修改。

在乙烯裝置裂解爐運(yùn)行中，裂解爐F－0101、F－0301和F－0501的裂解氣清焦管線靠近裂解氣主管線分支處，異徑管 (節(jié)點(diǎn)8500)發(fā)生過(guò)多起焊口開(kāi)裂、異徑管破裂事故，并引發(fā)火災(zāi)。本文僅列舉裂解爐 F－0101和 F－0201管道布置，見(jiàn)圖1。

圖1 乙烯裂解爐接管示意圖

1 產(chǎn)生破裂泄漏的原因

引起管道本體破裂泄漏的主要原因?yàn)楣艿啦牧细g、安裝質(zhì)量及管道應(yīng)力超限等。

1.1 管道材料腐蝕

乙烯裂解氣管道內(nèi)含有微量的水蒸汽、H2S、SO2、CO2等，在一定條件下可能會(huì)造成管線腐蝕。而乙烯裂解氣管線溫度均在330℃以上、壓力0.4MPa的工況下運(yùn)行，水蒸汽冷凝現(xiàn)象不可能出現(xiàn)。

發(fā)生破裂的管線選用的管道材料為ASTM A358 GR.321 CL1，該材料是高溫用電熔焊奧氏體鉻鎳合金鋼，耐氧化性酸介質(zhì)腐蝕。乙烯裂解氣管線在開(kāi)停車、除焦等過(guò)程中，產(chǎn)生少量的凝液，根據(jù)管線破壞形態(tài)，可排除腐蝕破壞。

1.2 安裝質(zhì)量及檢測(cè)驗(yàn)收

若施工不規(guī)范，操作人員沒(méi)有嚴(yán)格遵守操作規(guī)程或操作不熟練，施工機(jī)具不符合要求，沒(méi)有按規(guī)范進(jìn)行各種試驗(yàn)，管道運(yùn)行一段時(shí)間后可能會(huì)發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

發(fā)生破裂的管線焊口采用填充金屬雙面焊，并已100%探傷檢測(cè)。因此由安裝質(zhì)量及檢測(cè)驗(yàn)收原因造成管道泄漏可能性比較小。

1.3 管道應(yīng)力超限

乙烯裂解氣管線承受壓力荷載、持續(xù)荷載、熱脹和端點(diǎn)位移及偶然荷載。

管道均是架空布置，合理的管道支架設(shè)計(jì)，可保證管道的持續(xù)荷載具有良好的分布狀態(tài)，在管道上產(chǎn)生的一次應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力。

管道由安裝狀態(tài)過(guò)渡到運(yùn)行狀態(tài)，由于管內(nèi)介質(zhì)溫度變化，管道產(chǎn)生熱脹或冷縮使之變形。與設(shè)備連接的管道，由于設(shè)備的溫度變化，設(shè)備管口產(chǎn)生端點(diǎn)位移可使管道產(chǎn)生變形。這些變形使管道承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸和剪切應(yīng)力。管道應(yīng)具有足夠的柔性，使管道變形所產(chǎn)生的應(yīng)力保持在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

風(fēng)雪荷載、地震荷載、自控調(diào)節(jié)閥和安全閥起跳所產(chǎn)生的沖擊荷載均屬于偶然荷載范疇。偶然荷載與壓力荷載、持續(xù)荷載組合后，允許達(dá)到許用應(yīng)力的1.33倍。

通常管道的持續(xù)荷載分布狀態(tài)不佳，缺乏足夠的柔性，是造成管道應(yīng)力超限的主要原因。

綜上分析，造成裂解爐管道破裂、氣體泄漏引發(fā)火災(zāi)的原因應(yīng)是管道應(yīng)力超限所致，因此對(duì)乙烯裂解氣管線進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。

2 管道應(yīng)力分析

2.1 操作工況說(shuō)明

由于來(lái)自裂解爐的乙烯裂解氣溫度變化較大，本次應(yīng)力分析采用五種工況進(jìn)行，見(jiàn)表1。

表1 五種操作工況參數(shù)

2.2 管線模擬和偏差

由于沒(méi)有原始的應(yīng)力分析資料，對(duì)現(xiàn)有裝置管線進(jìn)行重新應(yīng)力核算，關(guān)鍵是模擬管線的真實(shí)程度。

為了較真實(shí)地描繪現(xiàn)有管道，查詢了國(guó)外工程公司和國(guó)內(nèi)工程公司的設(shè)計(jì)資料，請(qǐng)教乙烯廠的技術(shù)專家，并多次現(xiàn)場(chǎng)勘查，掌握了應(yīng)力分析所需的基本資料。

(1)管道布置:利用原設(shè)計(jì)的單線圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)，真實(shí)地反映了管道結(jié)構(gòu)尺寸、管件的位置。

(2)膨脹節(jié):確定膨脹節(jié)的型式為大拉桿膨脹節(jié)，其長(zhǎng)度為現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)值，剛度值取為3000N/mm。

(3)彈簧支吊架:彈簧的荷載和剛度值采用現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)值，采用中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提取彈簧的重量。

(4)閥門重量:裂解氣管線上42″閘閥無(wú)重量數(shù)據(jù)，采用蘇州紐威閥門廠的數(shù)據(jù)。由于其長(zhǎng)度與現(xiàn)場(chǎng)不同，閥門重量按長(zhǎng)度略做調(diào)整。

(5)彈簧數(shù)據(jù):裂解氣管線上，42″閘閥前后的彈簧取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)。國(guó)外工程公司的設(shè)計(jì)值與其不一致。

根據(jù)所掌握的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用CAESARII應(yīng)力分析軟件，建立分析模型，并進(jìn)行分析。

2.3 應(yīng)力分析結(jié)果

從管系應(yīng)力分析結(jié)果可知，在安裝狀態(tài)下，乙烯裂解氣管線破壞泄漏處，即節(jié)點(diǎn)8500處一次應(yīng)力值為37.17MPa，占標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力的100.9%。造成一次應(yīng)力超標(biāo)主要原因是該點(diǎn)的彎曲應(yīng)力較大，可達(dá)29.7 MPa，且節(jié)點(diǎn)8580處的垂直沉降高達(dá)10.829mm，裂解爐接管示意見(jiàn)圖1。

在熱態(tài)工況中 (第一種工況)，裂解氣溫度在650℃時(shí)，節(jié)點(diǎn)1660處二次應(yīng)力值184.96 MPa，占標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力的106.1%。節(jié)點(diǎn)6660處二次應(yīng)力值177.79 MPa，占標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力的102%。第五種工況，裂解氣溫度在630℃時(shí)，節(jié)點(diǎn)1660處二次應(yīng)力值179.71 MPa，占標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力的97.7%。節(jié)點(diǎn)6660處二次應(yīng)力值172.76 MPa，占標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力的93%(圖1)。其他熱態(tài)工況應(yīng)力分布均勻，數(shù)值理想。

綜上所述，節(jié)點(diǎn)8500處 (即乙烯裂解氣管線破壞泄漏處)的彎曲應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)8500處一次應(yīng)力超標(biāo)。

另外，裂解氣溫度在630～650℃時(shí)，節(jié)點(diǎn)1660和節(jié)點(diǎn)6660屬于危險(xiǎn)狀態(tài)。裝置運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)這樣的工況。

2.4 采取措施

在節(jié)點(diǎn)8595處 (圖1)增加衡力彈簧支架，使管道持續(xù)荷載分布狀態(tài)良好，整個(gè)管系不再有傾斜現(xiàn)象。再次應(yīng)力分析得出，節(jié)點(diǎn)8500處 (即乙烯裂解氣管線破壞泄漏處)一次應(yīng)力值為8.62MPa，占標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力23%。該點(diǎn)的彎曲應(yīng)力減小到1.24MPa，且節(jié)點(diǎn)8580處的垂直沉降僅有2.15mm。

3 結(jié)語(yǔ)

由于清焦管線上均采用彈簧支吊架，應(yīng)力分析結(jié)果顯示彈簧支吊架設(shè)計(jì)布局不合理，因此管系處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，管道持續(xù)荷載分布狀態(tài)欠佳，導(dǎo)致整個(gè)管系向清焦罐一側(cè)傾斜，造成節(jié)點(diǎn)8500處 (即乙烯裂解氣管線破壞泄漏處)的彎曲應(yīng)力過(guò)大。

整改后的裂解爐 F－0101、F－0301和 F－0501的裂解氣清焦管線，歷經(jīng)開(kāi)車、停車、清焦等生產(chǎn)過(guò)程，目前已平穩(wěn)運(yùn)行4年多，再?zèng)]有發(fā)生過(guò)焊口開(kāi)裂、異徑管破裂事故。

1 張德姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.中國(guó)石化出版社，1994.