連續(xù)重整反應(yīng)器中心管損壞原因分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

李嘯東

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

由于器內(nèi)介質(zhì)沿徑向流動(dòng)，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(yīng)器廣泛用于要求壓力降較低的連續(xù)重整裝置。但在操作一段時(shí)間后，作為反應(yīng)器主要內(nèi)構(gòu)件的中心管，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)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(shí)停工。中心管的損壞往往是不可預(yù)見(jiàn)的，有的是操作較長(zhǎng)一段時(shí)間后發(fā)生，有的則是剛剛停工檢修、檢查后發(fā)生。這給安全、穩(wěn)定生產(chǎn)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(zhǎng)周期運(yùn)行帶來(lái)了極大的困難，亟待解決。

1 中心管

1.1 徑向重整反應(yīng)器簡(jiǎn)介

典型的向心式徑向重整反應(yīng)器如圖1所示。油氣從上部(或側(cè)面)進(jìn)入反應(yīng)器，通過(guò)扇形筒(或外篩網(wǎng))沿徑向通過(guò)催化劑床層，與催化劑反應(yīng)后進(jìn)入中心管，經(jīng)出口引出設(shè)備;而催化劑則從上入口進(jìn)入，在重力作用下緩慢流至下方，從出口流出。反應(yīng)器通常在500～550 ℃高溫臨氫環(huán)境下操作。

1.2 中心管基本結(jié)構(gòu)

中心管通常由開(kāi)孔的內(nèi)部圓筒和外部焊接條形篩網(wǎng)組成，材質(zhì)為不銹鋼，見(jiàn)圖2。內(nèi)部圓筒根據(jù)工藝要求開(kāi)設(shè)一定數(shù)量的小孔?？椎拇笮?、數(shù)量和布置方式是否合理是決定油氣在催化劑床層中流動(dòng)是否均勻以及反應(yīng)效果好壞與否的關(guān)鍵。同時(shí)，內(nèi)部圓筒還要承擔(dān)支撐作用，承受所有壓力載荷。

圖1 向心式徑向重整反應(yīng)器示意

內(nèi)部圓筒外部包裹焊接條形篩網(wǎng)的主要目的是防止催化劑從中心管中流失。早期設(shè)計(jì)的中心管外部包裹不銹鋼金屬絲網(wǎng)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低，但壓降大、強(qiáng)度低、對(duì)催化劑磨損大，不適合移動(dòng)床的連續(xù)重整反應(yīng)器。隨著制造技術(shù)的日益成熟和提高，強(qiáng)度高、壓降小、表面平整、光潔度高的焊接條形篩網(wǎng)已取代金屬絲網(wǎng)，用于連續(xù)重整反應(yīng)器。

圖2 中心管結(jié)構(gòu)

1.3 中心管設(shè)計(jì)計(jì)算

由圖1可知，中心管在操作時(shí)主要承受兩部分載荷，即介質(zhì)流動(dòng)造成的內(nèi)、外壓力降(外高內(nèi)低)和催化劑床層靜壓，因此，可將其視作一個(gè)受外壓的圓筒。通常設(shè)計(jì)時(shí)，假設(shè)承壓主體是內(nèi)部有開(kāi)孔的圓筒，需承擔(dān)所有外壓，而外部焊接條形篩網(wǎng)緊貼內(nèi)筒，僅需計(jì)算兩支撐桿間的局部強(qiáng)度。設(shè)計(jì)計(jì)算中，內(nèi)部圓筒和外部焊接條形篩網(wǎng)分別進(jìn)行核算。

篩條按兩端固支梁公式計(jì)算【1】：

式中： [P]——最大允許外壓，MPa；

z——篩條斷面系數(shù)，mm3；

S——篩條許用應(yīng)力，MPa；

l——支撐桿間距，mm；

W——篩條寬度，mm；

s——焊接條形篩網(wǎng)縫隙寬度，mm。

最大允許外壓[P]大于實(shí)際的床層壓降與床層靜壓之和，即可認(rèn)為設(shè)計(jì)安全。

1.4 中心管加工制造

中心管加工制造需分步預(yù)制，然后組焊在一起，主要步驟如下：

1) 焊接條形篩網(wǎng)預(yù)制。焊接條形篩網(wǎng)由楔形絲和支撐桿通過(guò)特殊的焊接工藝焊接成一個(gè)圓柱筒體，然后沿縱向剖開(kāi)、展平，形成一片焊接條形篩網(wǎng)原材料。

2) 內(nèi)部圓筒成形。將鉆好分布孔的鋼板卷制成所需尺寸的數(shù)個(gè)短筒節(jié)，然后再組焊成一個(gè)整體筒節(jié)。

3) 中心管組裝成形。將焊接條形篩網(wǎng)網(wǎng)片卷制成與內(nèi)部圓筒弧度相對(duì)應(yīng)的瓣片，然后緊貼內(nèi)部圓筒逐一將瓣片的縱向焊接接頭和環(huán)向焊接接頭焊接完成，形成一個(gè)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(fā)生在其外表面包裹的焊接條形篩網(wǎng)，而內(nèi)部圓筒很少損壞。典型的損壞形式有縱向焊接接頭處開(kāi)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(kāi)裂

圖4 篩條斷裂

2.2 原因分析

無(wú)論是圖3所示的縱向焊接接頭處開(kāi)裂還是圖4所示的篩條斷裂都是由于外部焊接條形篩網(wǎng)承受不了外壓而發(fā)生失穩(wěn)造成的。

2.2.1制造偏離

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

2.2.2操作時(shí)變形協(xié)調(diào)的偏離

由于焊接條形篩網(wǎng)制造成形的特殊性，其在受熱時(shí)，不是像鋼板一樣均勻地向四周膨脹，而是呈不規(guī)則性，因此在受外載荷時(shí)，變形也不一致。由于焊接條形篩網(wǎng)的這種特性，使其在反應(yīng)器從安裝狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮鳡顟B(tài)時(shí)，與內(nèi)部圓筒變形不一致。特別是二者均有多條環(huán)向和縱向焊接接頭， 使得變形情況非常復(fù)雜， 有些在轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮鳡顟B(tài)后， 制造時(shí)二者之間存在的間隙消失了， 有些制造時(shí)緊緊貼合的反而出現(xiàn)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(xié)調(diào)的偏離，使實(shí)際使用情況偏離設(shè)計(jì)假設(shè)，超出設(shè)計(jì)安全范圍，中心管的外部焊接條形篩網(wǎng)需單獨(dú)承受超出原設(shè)計(jì)條件的部分載荷，相當(dāng)于一個(gè)承受外壓的圓筒。這個(gè)“圓筒”部分與內(nèi)部圓筒接觸，部分已脫離，造成局部超載的情況。當(dāng)超載失穩(wěn)后，首先破壞的是強(qiáng)與弱的連接部位，即焊接條形篩網(wǎng)縱向焊接接頭處，如圖3所示。由于事先無(wú)法發(fā)現(xiàn)破壞的征兆，出現(xiàn)問(wèn)題后又無(wú)法及時(shí)更換或有效修補(bǔ)損壞部件，只能采取臨時(shí)補(bǔ)焊的方式進(jìn)行處理，隨后繼續(xù)開(kāi)工。因臨時(shí)修補(bǔ)措施不當(dāng)，進(jìn)而又會(huì)出現(xiàn)外壓圓筒失穩(wěn)的典型破壞形式，即局部失穩(wěn)后大面積失穩(wěn)，如圖4所示。

在裝置新開(kāi)工時(shí)，由于中心管是新材料制成的，強(qiáng)度裕量較大，不易出現(xiàn)破損的情況。在高溫運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著材料性能的下降【2】以及變形協(xié)調(diào)不一致情形的加劇，通常兩支撐桿之間的間距會(huì)由40 mm左右增加到超過(guò)1000 mm甚至更大，原結(jié)構(gòu)不足以承受外部載荷，隨即出現(xiàn)破損。

2.3 中心管的停工檢查

對(duì)于中心管的損壞，有些情況是有先兆的，在停工檢修時(shí)要密切注意。需檢查的關(guān)鍵部位如下：

1) 焊接條形篩網(wǎng)縱向焊接接頭附近；

2) 焊接條形篩網(wǎng)環(huán)向焊接接頭附近；

3) 焊接條形篩網(wǎng)表面。

如果這幾個(gè)部位出現(xiàn)異常，如局部隆起、過(guò)量變形、縫隙超差較大等，即有可能已經(jīng)出現(xiàn)外壓失穩(wěn)的情況了，需提前制定應(yīng)對(duì)措施。

根據(jù)異常情況的程度，通?？梢钥紤]如下措施：

1) 中心管整體更換；

2) 外部焊接條形篩網(wǎng)局部或整體更換；

3) 降低操作負(fù)荷。

3 設(shè)計(jì)修正和結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)設(shè)計(jì)修正和結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以延長(zhǎng)中心管的使用壽命。此方法適用于新設(shè)計(jì)項(xiàng)目和內(nèi)件更換項(xiàng)目。

3.1 設(shè)計(jì)修正

實(shí)際使用時(shí)，由于外部的焊接條形篩網(wǎng)與內(nèi)部圓筒之間存在間隙，無(wú)法對(duì)所有支撐桿起到有效的支撐作用，因此，外部焊接條形篩網(wǎng)篩條的計(jì)算長(zhǎng)度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出兩相鄰的支撐間距。通?？梢酝ㄟ^(guò)增加篩條和支撐桿間的結(jié)合力以及增大篩條和支撐桿的厚度、高度的方法來(lái)解決篩條實(shí)際計(jì)算長(zhǎng)度增加的問(wèn)題，以滿(mǎn)足實(shí)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(kāi)孔率的控制點(diǎn)在內(nèi)部圓筒，此修改不會(huì)影響中心管的工藝性能。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

控制外部焊接條形篩網(wǎng)的分段長(zhǎng)度，不能根據(jù)加工能力任意選取，其兩端應(yīng)按承受外壓圓筒的固定端設(shè)計(jì)，而不是僅僅作為拼接接頭處理，使其既能夠?qū)ν獠康暮附訔l形篩網(wǎng)起到有效的加強(qiáng)作用，又能夠適當(dāng)縮短外壓計(jì)算長(zhǎng)度，做到有效、經(jīng)濟(jì)、合理。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 連續(xù)重整反應(yīng)器中心管損壞的主要原因是實(shí)際情況與設(shè)計(jì)假設(shè)偏離，超出設(shè)計(jì)安全范圍，從而造成中心管失穩(wěn)破壞。通過(guò)采用設(shè)計(jì)修正和結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，可有效地延長(zhǎng)中心管的使用壽命。

2) 在停工檢修階段，加強(qiáng)對(duì)中心管關(guān)鍵部位的檢查，一旦發(fā)現(xiàn)損壞的征兆，立即采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。