基于CAESARⅡ的加熱爐轉(zhuǎn)油線出口的詳細(xì)模擬

宋振虎

基于CAESARⅡ的加熱爐轉(zhuǎn)油線出口的詳細(xì)模擬

宋振虎

（遼寧省石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

通過(guò)對(duì)某延遲焦化項(xiàng)目加熱爐轉(zhuǎn)油線進(jìn)行詳細(xì)的建模，模擬加熱爐內(nèi)部盤(pán)管及其支撐形式，使得管系的邊界條件更加準(zhǔn)確清晰，從而得到比傳統(tǒng)只考慮管口位移載荷的方法更精準(zhǔn)的結(jié)果，避免了由于保守的計(jì)算結(jié)果使管系增加不必要的柔性。

管道應(yīng)力；轉(zhuǎn)油線；加熱爐

在石油化工裝置中，加熱爐是為系統(tǒng)提供熱源的重要工藝設(shè)備之一，其外殼包覆鋼板，由鋼框架作為支撐，內(nèi)部砌筑耐火層隔熱。被加熱的工藝介質(zhì)經(jīng)由內(nèi)部盤(pán)管進(jìn)入下一單元進(jìn)行反應(yīng)或分餾。一般地，將從加熱爐出口至反應(yīng)器或塔設(shè)備的管道稱為轉(zhuǎn)油線，由于該管道溫度通常在300 ℃以上，且內(nèi)部介質(zhì)存在兩相狀態(tài)，極易激發(fā)管道振動(dòng)，往往給管道設(shè)計(jì)者帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。因此轉(zhuǎn)油線的應(yīng)力分析在石化工程的設(shè)計(jì)中格外重要，而管道的正確模擬與否關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，應(yīng)引起設(shè)計(jì)者的格外重視。

1 應(yīng)力分析的內(nèi)容及目的

與傳統(tǒng)壓力容器不同，加熱爐的工藝物料管口不與設(shè)備殼體焊接，且在設(shè)備運(yùn)行時(shí)內(nèi)部盤(pán)管受熱，對(duì)外部接管產(chǎn)生較大的位移載荷，因此加熱爐管口許用載荷相對(duì)較小。加熱爐油出口管口載荷一般按美國(guó)石油學(xué)會(huì)API 560“Fired Heaters for General Refinery Service”[1]進(jìn)行校核，但該標(biāo)準(zhǔn)所給出的受力限制偏于保守，通常可與加熱爐專業(yè)或與制造商協(xié)商放寬允許受力限制[2]，行業(yè)內(nèi)一般將管口許用載荷提高至API 560要求的5倍以上。

在許多轉(zhuǎn)油線引起的事故中，大部分原因是由于應(yīng)力水平超標(biāo)、支吊架設(shè)計(jì)不合理造成的。本文以某延遲焦化項(xiàng)目原料預(yù)處理單元轉(zhuǎn)油線為例，詳細(xì)介紹在應(yīng)用CAESARⅡ進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)的建模注意事項(xiàng)，并分析對(duì)油出口處的詳細(xì)模擬正確與否對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

2 計(jì)算參數(shù)

該管系主要技術(shù)條件如下：操作溫度340 ℃；操作壓力0.2 MPa；工作介質(zhì)為重焦化油；介質(zhì)密度 970 kg/m3；管道材質(zhì)A335 Gr.P5；管道外徑 DN200；管道壁厚 Sch40；爐管材質(zhì) TP316L；爐管外徑DN100；爐管壁厚 8 mm。

3 爐出口邊界條件的描述及詳細(xì)模擬

3.1 邊界條件的描述

圖1為加熱爐輻射室內(nèi)盤(pán)管詳圖，被加熱的重質(zhì)焦油自底部進(jìn)入盤(pán)管，經(jīng)過(guò)高溫爐膛加熱后由頂部管口出爐至分餾塔。盤(pán)管共22層，每層均由6個(gè)盤(pán)管支架均布支撐，盤(pán)管支架生根于6根方鋼柱上，鋼柱則固定于爐體底部。由于鋼柱直接暴露于爐膛內(nèi)部，受熱后通過(guò)盤(pán)管支架帶動(dòng)各層盤(pán)管向上位移，且越上層的盤(pán)管所累積的豎向位移增量越大。

圖1 輻射室盤(pán)管

傳統(tǒng)的建模思想即直接通過(guò)加熱爐供應(yīng)商提供的管口各項(xiàng)熱態(tài)位移值加載到管口法蘭處，然而實(shí)際中管口受力情況并非僅受三個(gè)方向的主位移影響，由于供應(yīng)商一般不能提供管口處的三向角位移，設(shè)計(jì)者只能按角位移完全約束考慮，這往往會(huì)造成管道應(yīng)力及支架約束反力偏于保守的結(jié)果。如果模擬部分爐管可使分析計(jì)算更符合實(shí)際，應(yīng)力分析可將部分爐管包括在內(nèi)[3]。

3.2 爐出口轉(zhuǎn)油線詳細(xì)建模

支撐整體盤(pán)管的方鋼柱可通過(guò)與之剛度相近的管道剛性件模擬，溫度取爐膛溫度。盤(pán)管支架可使用C-NODE命令與盤(pán)管支點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。為避免環(huán)形盤(pán)管受熱后向爐中心位移，一般設(shè)計(jì)成弧形鉤狀支撐，如圖2所示，此支撐在模型中可通過(guò)一個(gè)+Y向支撐附加一個(gè)斜向上的支撐來(lái)模擬。在爐管穿出爐體處，爐管與外部鋼板并非焊為一體，而是將爐體開(kāi)洞后預(yù)植一管徑略大于爐管的鋼套管，現(xiàn)場(chǎng)施工爐管時(shí)，在爐管與鋼套管之間纏繞不銹鋼絲耐熱纖維繩作為密封材料，如圖3所示。因此，管口處可視為一個(gè)帶微小間隙的導(dǎo)向約束，在模型中以三個(gè)導(dǎo)向架模擬，分別位于套管上端部、爐體鋼板處、套管下端部。整體管系見(jiàn)圖4，爐口處邊界條件見(jiàn)圖5。

圖2 盤(pán)管支架

圖3 頂部管口約束詳圖

圖4 整體管系

圖5 爐口處邊界條件

4 計(jì)算結(jié)果比較

5倍API 560管口許用載荷見(jiàn)表1，管口方向標(biāo)見(jiàn)圖6。

表1 管口許用載荷

圖6 管口方向標(biāo)

不同建模方法得出的管口載荷對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 管口載荷對(duì)比

可見(jiàn)，當(dāng)使用傳統(tǒng)方式只考慮熱位移載荷時(shí)，某些方向上的力和力矩超標(biāo)，得到的管口載荷過(guò)于保守；而詳細(xì)模擬內(nèi)部爐管及其約束形式時(shí)，由于釋放了三向轉(zhuǎn)角位移，加熱爐外界管道產(chǎn)生的水平方向位移對(duì)豎直管口的彎、扭效應(yīng)由爐內(nèi)部接口處的盤(pán)管吸收，進(jìn)而得到更為精確的受力結(jié)果，管口載荷處于安全范圍內(nèi)。

5 結(jié) 論

（1）計(jì)算轉(zhuǎn)油線管道時(shí)，若對(duì)加熱爐內(nèi)部管道進(jìn)行詳細(xì)模擬，可獲得更為精確的管口載荷。

（2）使用傳統(tǒng)加載位移載荷方法所得到的管口受力往往過(guò)于保守，設(shè)計(jì)者為減小管口載荷而改變管道路由方案，盲目增加管系柔性，不僅增大了系統(tǒng)的壓力降，同時(shí)增加了更多的彎頭，使得兩相流激發(fā)振動(dòng)的概率大大增加，不利于管系的安全運(yùn)行。

［1］API STANDARD 560, Fired Heaters for General Refinery Service[S]. American Petroleum Institute,2016．

［2］唐永進(jìn)．壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009．

［3］張德姜，柯松林，唐永進(jìn).煉油廠裝置平面布置及管道設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2017．

Accurate Simulation of Transfer Line Outlet of Fired Heaters Based on CAESARⅡ

（Liaoning Petroleum-Chemical Industry Planning & Designing Institute Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110000，China）

The transfer line outlet of fired heater in a delayed coking project was modeled in detail. The arrangement of supports and helical tube in the fired heater were simulated in order to clarify the boundary conditions of piping system. Compared with common methods only concerning displacement loads, more accurate results were obtained by the method, to avoid unnecessary flexible piping layout due to the conservative results.

piping stress; fired heaters; transfer line

2020-01-21

宋振虎（1992-），男，助理工程師，河北邢臺(tái)人，2015年畢業(yè)于沈陽(yáng)化工大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油化工管道應(yīng)力分析工作。

TQ051.5

A

1004-0935（2020）05-0501-03