帶耐火襯里高溫反應(yīng)器密封錐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

徐君臣

(惠生工程(中國(guó))有限公司，上海 201210)

0 引言

隨著新工藝流程的開(kāi)發(fā)，反應(yīng)所需要的介質(zhì)溫度越來(lái)越高，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高要求。當(dāng)遇到反應(yīng)溫度較高時(shí)，一般在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置耐火襯里，并在耐火襯里表面增加一層較薄的保護(hù)金屬襯里[1-6]。該金屬襯里可以阻止高溫氣體直接對(duì)耐火襯里的接觸與沖刷，即便耐火襯里發(fā)生較小破壞，高溫反應(yīng)氣體也不會(huì)直接通過(guò)破壞區(qū)域與反應(yīng)器殼體接觸，所以金屬襯里在反應(yīng)器隔熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。但是金屬襯里的設(shè)置也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，例如：金屬襯里的線(xiàn)膨脹系數(shù)大，在耐火襯里和金屬襯里之間需要留有足夠的空間來(lái)供金屬襯里的膨脹；金屬襯里在軸向方向也會(huì)熱膨脹，需要在軸向設(shè)置膨脹縫；金屬襯里需要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)等[7-11]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種雙金屬密封錐結(jié)構(gòu)，其與反應(yīng)器殼體和金屬襯里連接形式如圖1所示。該密封錐結(jié)構(gòu)首先起著支撐金屬襯里結(jié)構(gòu)的作用；其次，密封錐結(jié)構(gòu)將金屬襯里與耐火襯里之間的徑向膨脹縫劃分為幾個(gè)相互隔離的密閉的空間，阻止高速熱氣體在該區(qū)域內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)而提高隔熱可靠性，防止形成上下貫通的流動(dòng)氣流造成沖刷及惡化耐火襯里的隔熱效果。

(a) (b)

圖1 反應(yīng)器耐火襯里系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖1(a)為反應(yīng)器中間段金屬襯里與密封錐連接結(jié)構(gòu)，襯里連接區(qū)域設(shè)置了新型的軸向膨脹縫，滿(mǎn)足了下面的金屬襯里軸向熱膨脹要求。由于反應(yīng)器里面氣流速度高，該膨脹縫內(nèi)外均采用密封擋板，能有效地降低氣流速度和阻止氣流進(jìn)入金屬襯里與澆注料之間的膨脹空間，防止反應(yīng)器殼體超溫現(xiàn)象的產(chǎn)生；圖1(b)為反應(yīng)器最下面金屬襯里與密封錐連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不設(shè)置膨脹縫，以密封錐連接點(diǎn)為固定點(diǎn)，金屬襯里一端向上膨脹，另一端向下膨脹。結(jié)構(gòu)的耐火襯里采用輕質(zhì)澆注料，為了防止密封錐與金屬襯里受熱膨脹壓碎澆注料，在密封錐的正面尖角處采用派羅塊結(jié)構(gòu)，以解決尖角區(qū)域澆注料受壓容易碎裂的問(wèn)題。派羅塊為陶瓷纖維塊的升級(jí)產(chǎn)品，能很好地適應(yīng)形狀不規(guī)則區(qū)域，易于向各個(gè)方向壓縮，表面受熱后變硬，使得強(qiáng)度提高，從而提高抗氣流沖刷能力；在密封錐背面采用塑料包裹的陶瓷纖維毯，適應(yīng)密封錐的熱變形，減小密封錐對(duì)澆注料的壓縮。

由于在高溫作用下，金屬襯里徑向膨脹量較大，密封錐及其連接件需要滿(mǎn)足金屬襯里高溫膨脹變形的需要，首先對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，其次進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析，并研究不同密封錐角度和厚度對(duì)應(yīng)力分布的影響，獲得滿(mǎn)足應(yīng)力強(qiáng)度要求的最佳密封錐結(jié)構(gòu)參數(shù)，以期為此類(lèi)高溫反應(yīng)器耐火襯里結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)條件與有限元建模

1.1 設(shè)計(jì)條件

反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基本參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)條件

反應(yīng)器進(jìn)入的高溫管線(xiàn)溫度為705 ℃，通過(guò)在反應(yīng)器殼體內(nèi)壁設(shè)置耐火襯里系統(tǒng)，殼體設(shè)計(jì)溫度為400 ℃，材料為SA-515 Gr.60。密封錐與金屬襯里連接材料為310S，由于間歇性操作，其設(shè)計(jì)溫度為668 ℃，通過(guò)控制其最小碳含量為0.04%來(lái)提高其抗高溫性能。密封錐與反應(yīng)器殼體連接采用相近材料SA-516 Gr.70。

密封錐結(jié)構(gòu)如圖2所示。密封錐厚度t與密封錐角度θ為待定值，需要通過(guò)有限元建模計(jì)算來(lái)確定出最佳取值。由于密封錐長(zhǎng)期在高溫下工作，密封錐結(jié)構(gòu)、金屬襯里和反應(yīng)器殼體之間存在熱膨脹與變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，在對(duì)密封錐進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量使其能夠自由變形，減小熱膨脹產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。密封錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念是要使其與金屬襯里有相當(dāng)?shù)膭偠龋芨玫剡M(jìn)行變形協(xié)調(diào)，降低應(yīng)力，但其也要有足夠的強(qiáng)度，能夠支撐金屬襯里自重。例如：密封錐下端距密封檔板的端部距離為35 mm，該值是通過(guò)有限元反復(fù)計(jì)算確定。該距離較短能夠降低密封檔板與密封錐下端連接區(qū)域的剛性，更容易變形協(xié)調(diào)，降低了密封錐與密封檔板連接處的應(yīng)力。

圖2 密封錐結(jié)構(gòu)尺寸示意

表2和表3分別示出了碳鋼與不銹鋼材料在不同溫度下的性能參數(shù)。耐火襯里為輕質(zhì)澆注料，該材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.4 W/(m·℃)。表4示出了不同材料在不同溫度下的許用應(yīng)力值，所有值均從ASMEⅡ-D標(biāo)準(zhǔn)中查得[8]。

表2 材料SA-515 Gr.60與SA-516 Gr.70在不同溫度下的性能參數(shù)

表3 材料310S在不同溫度下的性能參數(shù)

表4 不同材料在不同溫度下許用應(yīng)力值

1.2 有限元建模

考慮到結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱(chēng)性，將該模型簡(jiǎn)化成二維平面模型。有限元建模時(shí)考慮反應(yīng)器殼體3 mm腐蝕余量，金屬襯里和密封錐腐蝕余量為0。在進(jìn)行溫度場(chǎng)求解時(shí)，采用Plane77單元，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元為Plane82單元。劃分網(wǎng)格時(shí)盡量采用四面體網(wǎng)格，密封錐結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖3所示[13-15]。

圖3 密封錐結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分(未包含澆注料)

2 溫度場(chǎng)求解

對(duì)于高溫結(jié)構(gòu)，溫度場(chǎng)的求解結(jié)果對(duì)應(yīng)力場(chǎng)求解結(jié)果影響非常大。對(duì)于金屬襯里結(jié)構(gòu)，其內(nèi)表面直接與高溫空氣接觸，設(shè)置其內(nèi)表面溫度為705 ℃，這樣可以準(zhǔn)確模擬其熱膨脹產(chǎn)生的徑向位移；輕質(zhì)澆注料內(nèi)表面溫度主要是通過(guò)金屬襯里輻射來(lái)進(jìn)行熱量傳遞的，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件SIMU-THERM 7.0計(jì)算，澆注料內(nèi)表面溫度為683 ℃；反應(yīng)器殼體外壁與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，按照冬天的環(huán)境溫度10 ℃考慮，等效對(duì)流換熱系數(shù)為6.87 W/(m2·℃)，這樣計(jì)算的結(jié)果偏安全。

圖4示出結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)求解結(jié)果，左側(cè)溫度場(chǎng)云圖為帶澆注料，右側(cè)溫度場(chǎng)云圖為不帶澆注料?？梢钥闯觯罡邷囟葹?05 ℃，發(fā)生在金屬襯里上；最低溫度為234.5 ℃，發(fā)生在反應(yīng)器殼體外壁。圖5示出沿密封錐X方向坐標(biāo)溫度分布曲線(xiàn)，密封錐熱端最高溫度為702.6 ℃，密封錐冷端最低溫度為255.4 ℃，溫差相差較大。

圖5 密封錐溫度分布曲線(xiàn)

3 應(yīng)力場(chǎng)求解結(jié)果與強(qiáng)度評(píng)定

在進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)求解時(shí)，首先將求解的溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入，然后再進(jìn)行載荷條件的施加。載荷條件：在反應(yīng)器殼體內(nèi)壁施加均布?jí)毫?.276 MPa；在反應(yīng)器殼體上端面施加均布拉應(yīng)力Pe=4.60 MPa；由于金屬襯里不是承壓件，故不需要施加壓力；施加重力加速度，考慮金屬襯里自重對(duì)密封錐結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。位移邊界條件：設(shè)置模型為軸對(duì)稱(chēng)模型，在反應(yīng)器殼體下端面施加Y方向約束，詳細(xì)載荷與邊界條件如圖6所示。

圖6 載荷與邊界條件

為了改善密封錐結(jié)構(gòu)的受力，減小其應(yīng)力，分別研究了密封錐角度和密封錐厚度對(duì)應(yīng)力值的影響。圖7和圖8分別示出了在不同角度和不同厚度的密封錐結(jié)構(gòu)下，靠近金屬襯里熱端和靠近反應(yīng)器殼體冷端的最大等效應(yīng)力值。密封錐角度的取值分別為45°，40°，35°，30°，25°；密封錐厚度的取值分別為6，5，4 mm。從圖7和圖8中可以看出，在密封錐相同壁厚條件下，密封錐角度越小，應(yīng)力值也越小。但密封錐角度太小，不便于耐火襯里的制造，綜合考慮熱端與冷端應(yīng)力值，取密封錐角度25°。在相同的角度下，密封錐壁厚越薄，應(yīng)力值也越小，因此取密封錐的厚度為4 mm。對(duì)比熱端和冷端密封錐最大等效應(yīng)力可知，熱端連接處變形能力強(qiáng)，最大應(yīng)力值小，而冷端連接處反應(yīng)器殼體壁厚剛性較強(qiáng)，在密封錐冷端處產(chǎn)生的應(yīng)力值較大。對(duì)于冷端密封錐最大等效應(yīng)力整體值偏大，主要是因?yàn)樽畲蟮刃?yīng)力值點(diǎn)從密封錐碳鋼材料變厚度處轉(zhuǎn)移到了其與反應(yīng)器殼體連接焊縫處，該處產(chǎn)生了較大的二次彎曲應(yīng)力，故等效應(yīng)力值較大。

圖7 密封錐熱端最大應(yīng)力值分布曲線(xiàn)

圖8 密封錐冷端最大應(yīng)力值分布曲線(xiàn)

圖9示出了密封錐結(jié)構(gòu)在角度25°與厚度4 mm下應(yīng)力分布云圖?？梢钥闯觯畲蟮刃?yīng)力發(fā)生在冷端碳鋼材料變厚度處，其值為421.655 MPa，主要是由于密封錐結(jié)構(gòu)受金屬襯里熱膨脹產(chǎn)生的壓力，導(dǎo)致其彎曲應(yīng)力值較大。

為了直觀查看密封錐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，圖10與圖11分別示出了密封錐結(jié)構(gòu)冷端與熱端應(yīng)力分布云圖以及相應(yīng)的路徑位置。冷端最大等效應(yīng)力為421.655 MPa，熱端最大等效應(yīng)力為136.833 MPa。表5示出了密封錐結(jié)構(gòu)應(yīng)力線(xiàn)性化結(jié)果，可以看出，結(jié)構(gòu)的薄膜應(yīng)力較小，而二次彎曲應(yīng)力較大，主要是由于結(jié)構(gòu)受熱膨脹變形產(chǎn)生的。在對(duì)二次應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定時(shí)，由于該反應(yīng)器為間歇性操作，壓力保持不變，只是溫度發(fā)生了變化。根據(jù)ASME-Ⅷ-2標(biāo)準(zhǔn)[16]，許用應(yīng)力按照最高溫度與最低溫度應(yīng)力強(qiáng)度平均值的3倍或屈服強(qiáng)度平均值的2倍中的較大者。

圖9 密封錐結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖

圖10 密封錐冷端應(yīng)力分布云圖及路徑

圖11 密封錐熱端應(yīng)力分布云圖及路徑

表5 密封錐結(jié)構(gòu)路徑上應(yīng)力線(xiàn)性化及評(píng)定結(jié)果

注：1)對(duì)于SA-516 Gr.70材料：Sps1=Maximum (2*Average (SY@300℃,SY@120℃),3*Average (S@300℃,S@120℃)) =Maximum ( 2*Average (204,235.8),3*Average (136,138))=439.8 MPa;2)對(duì)于310S材料：Sps2=Maximum ( 2*Average (SY@705℃,SY@500℃),3*Average (S@705℃,S@500℃))=Maximum ( ,3*Average (15.22,116))=196.8 MPa

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)高溫耐火襯里失效問(wèn)題，提出了雙金屬焊接的密封錐結(jié)構(gòu)。通過(guò)APDL語(yǔ)言建立了密封錐連接結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，對(duì)其進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，獲得了其溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，為此類(lèi)高溫耐火襯里系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

(2) 通過(guò)模擬密封錐結(jié)構(gòu)不同角度和厚度，獲得了密封錐結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律，給出了密封錐結(jié)構(gòu)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)：密封錐角度25°，厚度4 mm。

(3) 通過(guò)對(duì)密封錐結(jié)構(gòu)模擬發(fā)現(xiàn)，并不是增加密封錐厚度就可以降低應(yīng)力值，而是協(xié)調(diào)密封錐與金屬襯里剛度問(wèn)題，讓密封錐更好地適應(yīng)結(jié)構(gòu)的熱膨脹產(chǎn)生變形，進(jìn)而降低應(yīng)力值。而減小密封錐角度也正是起著降低密封錐結(jié)構(gòu)的剛度的作用，更好地適應(yīng)熱變形，以降低應(yīng)力。