丙烷脫氫（PDH）進料加熱爐集合管應(yīng)力分析研究與優(yōu)化

摘要：近年來丙烯需求旺盛，所以丙烷脫氫制丙烯（PDH）裝置上馬較多。PDH生產(chǎn)工藝核心部分是氧化反應(yīng)單元，丙烷原料與富含氫氣的循環(huán)丙烷氣混合，經(jīng)加熱爐加熱到反應(yīng)器所需進口溫度并在高選擇性鉑催化劑作用下反應(yīng)生成丙烯。以上物料經(jīng)由進料集合管，通過密集的爐管于爐膛內(nèi)加熱，再匯集于出料結(jié)合管至反應(yīng)器。該管道系統(tǒng)溫度高，熱位移大，應(yīng)力分析難度高，多個項目現(xiàn)場爐管、結(jié)合管及反應(yīng)器管口焊縫處出現(xiàn)了焊縫裂紋?，F(xiàn)通過對該系統(tǒng)進行詳細(xì)的應(yīng)力分析，結(jié)合現(xiàn)場案例提出優(yōu)化改進措施。

關(guān)鍵詞：丙烷脫氫;加熱爐;集合管;反應(yīng)器;管道應(yīng)力分析

0 ? ?引言

丙烷脫氫工藝為UOP公司專利技術(shù)，即在壓力大于0.1 MPa、溫度580～650 ℃、鉑催化劑作用下進行丙烷脫氫、分離和精餾，得到聚合級丙烯產(chǎn)品。由于溫度高，涉及加熱爐、反應(yīng)器等關(guān)鍵敏感設(shè)備，所以管道應(yīng)力分析需要非常詳盡。而大量恒力彈簧支吊架的應(yīng)用，對管道應(yīng)力分析模型的精確度要求非常高。如果數(shù)據(jù)考慮不全面，造成彈簧選型不恰當(dāng)，會導(dǎo)致管道系統(tǒng)應(yīng)力水平超標(biāo)，出現(xiàn)法蘭泄漏，焊縫裂紋，甚至造成緊急停車檢修，從而大大影響裝置的安全性和生產(chǎn)效益。本文就應(yīng)力分析模型的建立和需要考慮的要素進行闡述分析，基于應(yīng)力分析結(jié)果并結(jié)合生產(chǎn)實例對管道系統(tǒng)的支架設(shè)計提出改進方案，以期保證設(shè)計安全，保障業(yè)主正常生產(chǎn)。

1 ? ?應(yīng)力分析模型建立

應(yīng)力分析計算模型的建立是做管道研究的第一步，模型要設(shè)定正確的邊界條件，比如和管道相連接的設(shè)備如加熱爐、反應(yīng)器設(shè)備，要考慮設(shè)備熱膨脹對管道系統(tǒng)的影響，管道的直徑、壁厚、腐蝕余量、密度，流體的密度、溫度、壓力，保溫厚度、密度等條件也要分別核查清楚。

精確模型的建立基于以下幾點考慮：

1.1 ? ?管道輸入數(shù)據(jù)

加熱爐進、出料總管及爐管尺寸與材料如表1所示。

進出料總管、支管以及爐管如圖1所示。

1.2 ? ?法蘭、法蘭蓋、8字盲板、螺栓

應(yīng)力分析軟件（CAESAR）里面的數(shù)據(jù)庫并不包括盲板法蘭的重量和8字盲板的重量，我們平常建模通常就用數(shù)據(jù)庫里面法蘭的重量來代替盲板法蘭和8字盲板的重量，在這里就不可以，必須查找相關(guān)資料給出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。由于管道尺寸比較大，用的螺栓數(shù)量和尺寸也多，所以必須把螺栓的重量加入模型。

1.3 ? ?管道壁厚偏差

管道壁厚制造公差，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是±12.5%以內(nèi)。項目經(jīng)驗表明，采購管道時，如果按照重量計算價格來買，廠家可能會按照正偏差來提供管道;如果按照管道尺寸來買，廠家可能會按照負(fù)偏差提供管道。所以在設(shè)計采購階段，就必須要求廠家按照規(guī)定來，可以將偏差控制在5%左右，甚至在合同里要求廠家對這些管道參數(shù)做出保證。如果參數(shù)得不到保證，整個重量的計算不準(zhǔn)確將導(dǎo)致彈簧選型有問題。

1.4 ? ?爐管大半徑彎頭模型

爐管彎頭是大曲率半徑彎管，正確定義曲率半徑，對模型重量計算意義非常大。建立模型時是用兩個垂直的管道搭建模型，這時候的重量是兩根直管段重量之和，當(dāng)定義曲率半徑后，程序會自動按照大半徑彎頭的重量來計算，不需要手動進行折算。示例如圖2所示。

1.5 ? ?爐管固定型鋼

爐管間用槽鋼來將其相互固定，槽鋼和“U”型螺栓的重量采用均布荷載分配到管系中，如圖3所示。

1.6 ? ?總管內(nèi)件

總管內(nèi)件非常容易被疏忽，在模型中必須體現(xiàn)出來。內(nèi)件為圓錐形，大端和小端的直徑和壁厚必須定義準(zhǔn)確，以便得到內(nèi)件準(zhǔn)確的重量。程序計算出的重量需要和供貨商最終提供的重量進行對照，防止出現(xiàn)大的誤差?？偣軆?nèi)件制造圖如圖4所示，模型圖如圖5所示。

1.7 ? ?彈簧吊架附件

計算模型中所選的彈簧不會考慮自身附件的重量對彈簧選型的影響，彈簧吊桿、花籃螺母、管夾的重量必須人為考慮進去。不同彈簧廠家所用的附件不盡相同，要區(qū)別對待。

1.8 ? ?風(fēng)荷載考慮

集合總管處于加熱爐結(jié)構(gòu)之間，有些工程師認(rèn)為兩邊的加熱爐結(jié)構(gòu)可阻擋風(fēng)力，所以不需要考慮風(fēng)荷載，故整個集合總管都沒有設(shè)置導(dǎo)向支架。而通過現(xiàn)場觀察，加熱爐結(jié)構(gòu)之間往往會形成風(fēng)道，風(fēng)的影響還是比較大的。另外，通過現(xiàn)場觀察，物料流速不穩(wěn)定時，也能夠觀察到管道有晃動現(xiàn)象。故鑒于風(fēng)荷載和管道系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性，在集合總管上增加導(dǎo)向支架還是有必要的。由于管道熱位移大，導(dǎo)向支架和管道之間距離非常關(guān)鍵，支架既要起到穩(wěn)固管道系統(tǒng)的作用，又不能產(chǎn)生過大的反力。

2 ? ?應(yīng)力報告分析

管道應(yīng)力依據(jù)ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)進行控制。應(yīng)力校核分一次應(yīng)力校核和二次應(yīng)力校核。一次應(yīng)力是由于管道的自重、輸送介質(zhì)、閥門、法蘭保溫等重量以及系統(tǒng)的壓力而造成的應(yīng)力;二次應(yīng)力又叫“位移應(yīng)力”，為滿足外部約束條件或結(jié)構(gòu)自身變形的連續(xù)性要求所需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，通常是指管道熱脹或冷縮而引起的應(yīng)力。

2.1 ? ?二次應(yīng)力計算

2.4 ? ?應(yīng)力計算結(jié)果數(shù)據(jù)

應(yīng)力計算結(jié)果數(shù)據(jù)如圖7所示。一次應(yīng)力：35.6 MPa<84.6 MPa;二次應(yīng)力：185.6 MPa<231.4 MPa。

3 ? ?現(xiàn)場存在的問題及解決措施

現(xiàn)場反饋的問題普遍反映很多彈簧吊架運行沒有滿足設(shè)計要求，有些卡在最高點，或運行的位移和設(shè)計值偏差太多。

圖8所示是在現(xiàn)場測得的彈簧位置點在升溫過程中所產(chǎn)生的位移，可以看出有些點位移是0，而彈簧計算設(shè)計位移是160 mm，差別如此大，會導(dǎo)致管道系統(tǒng)應(yīng)力超過許用值，管道系統(tǒng)在經(jīng)過幾年運行后，分別在有些焊縫處產(chǎn)生裂紋，比如爐管和集合管連接焊縫處、反應(yīng)器管口位置。

以上情況出現(xiàn)的原因大致有以下兩種：

（1）應(yīng)力分析設(shè)計彈簧的選型和荷載計算與實際情況有偏差;

（2）彈簧制造荷載上、下偏差過大。

針對以上情況，現(xiàn)場采取如下措施：

（1）調(diào)整彈簧安裝荷載，使系統(tǒng)處于安裝受力平衡狀態(tài)。超出彈簧自身調(diào)整能力范圍的，必須更換彈簧。彈簧調(diào)整參數(shù)如表2所示。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)升溫時，做好管道熱位移記錄工作，為計算模型提供詳實數(shù)據(jù)，來評估一些不正常狀態(tài)是否處于安全邊際范圍以內(nèi)。

4 ? ?設(shè)計優(yōu)化措施

（1）在設(shè)計階段，嚴(yán)格要求彈簧廠家將恒力彈簧標(biāo)定荷載上下偏差控制在6%以內(nèi)，且留給用戶不少于10%設(shè)定荷載的調(diào)整量。（2）適當(dāng)?shù)奈恢靡O(shè)置導(dǎo)向支架，保證管道系統(tǒng)在各種工況以及風(fēng)荷載下穩(wěn)定性，避免集合管的晃動引起爐管晃動。爐管高度有20 m，晃動會引起爐管與集合管根部焊縫出現(xiàn)裂紋。（3）整個管道系統(tǒng)不要全部設(shè)計成彈簧吊架，這樣很容易造成管道系統(tǒng)失穩(wěn)，而且現(xiàn)場安裝調(diào)整管道的水平度等難度極高。所以，要適當(dāng)增加剛性吊架來保證管道系統(tǒng)的穩(wěn)定。只要集合管水平度滿足要求，應(yīng)力控制得當(dāng)，使用剛性吊架會大有裨益。圖9是優(yōu)化后支架模型。

5 ? ?結(jié)語

本文根據(jù)若干丙烷脫氫制丙烯（PDH）裝置現(xiàn)場反饋的問題，作出上述應(yīng)力分析研究與探討。結(jié)合計算模型的建立、應(yīng)力分析的理論依據(jù)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集等來論證分析問題，并提出一些建議和優(yōu)化設(shè)計，以期能為將來類似裝置的設(shè)計提供參考。至于大量的輸入數(shù)據(jù)和輸出報告，在此不再一一羅列。

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收稿日期：2020-02-14

作者簡介：高大祥（1972—），男，安徽人，工程師，研究方向：管道應(yīng)力分析。