催化裂化装置再生烟气管道设计原理和失效原因分析

一 4 8 一 炼 油设 计 1 9 9 3年第 卷第 5期 催化裂化装置再生烟气管道设计原理和 失效原因分析 一 ， ( 工 抚顺石化公司石油一厂 ( 辽宁省抚顺市 ”3 o o 8 ) A 摘要： 结 合再生 烟气 管道 应力 腐蚀开 裂的 事故 情况， 分析了 主要 原因， 并 针对产 生事 故的 原 因进行 了改 造 改 造后 的两 个周 期 运行证 明 。效 果很 好 。没有 再发 现焊 缝开 裂 也 没有 发 现俺壁 触 皱 褶 悯乞 主 题调： 漉 化筵 丝型盆 整置 苎兰 里 遵 气 管 主 I 系 统 应力 腐蚀 技术 改造 石油一厂催化裂化装置 。飙三级旋风分 离器到烟气 透平入 口段 的烟道( 如 图 1 所 示)材质为 l 8 8 钢，总长约 4 0 m， 总重约 1 3 t ， 最高操作压力 0 2 5 MP a ， 操作温度 7 0 0 。 自 1 9 8 7年 1 0月 投 产 到 l 9 9 o年 6月 。 共运行 三个 周期 在此 期问 ，环焊缝发 生儿 次开 裂 和局 部失 稳 皱帮 ，每 次 都 得 切 断 进 料，进行处理。1 9 9 0年 6月检修期 间，将 三旋出口到水平导 向支架段烟道共 3 0 余米 全部更新 其 中包括 6 个 波纹 管膨胀节 ，投 资约为 RMB ￥7 01 0 l 烟道失效情况 该 段烟道 在 3年运行期间 ，多次 出现焊 缝开裂和简体皱裙 ，详见田 l 点 是 P 膨 胀节 与简体相连 的环焊 缝 ，1 9 8 8年 8月 发 现 东北 方 向裂 缝 l m 多 长，裂缝最宽处达 5 m m 以上。该段简体产 生皱褶也很严重，因此更换了这段简体 。 1 9 8 9年 1 0月 检查 又发 现该 环焊 缝 开裂 0 7 m长 裂缝 ，采用补焊方法进行了处理 并 用 l 7块 1 8 0 mm6 0 mmx 6 mm 不锈 钢板 加强 同时还发现， 膨胀节与上段筒体 环 焊 缝 也 I ： 裂 l m 长 口子 ，裂 缝 宽 达 l 7 mm 采用办法是用 1 2 0 0 mm 8 0 mm 8 mm 不锈钢带将裂纹包上 1 9 9 0年 3月 发 现 ， 在 l 7块 加 强 板 中 有 l l 块焊缝 ， r 裂 ，采用 了补焊办法 点是 P 膨胀节与下段简体环 焊缝， 1 9 9 0 年 1 月发现裂 0 5 m长口子 ，裂缝宽 5 I I I lT I 。采 用补 焊办法 ，并 用 l 6块 1 8 0 mm 6 0 I I I lT I 6 mm不锈钢板加强 1 9 9 0年 4月发现 ，环焊缝和加强板 焊缝 都有多处， F 裂，处理办法是用钢带将环焊缝 包上 点是烟道有角焊缝处，其中有两个9 弯管和一个三通 此角焊缝， f 裂多次，也开 裂多处，长9 豇 不一，每次都进行 了补焊。 烟道的垂直段长约 2 0 m， 北侧从 上到 下 皱皱巴巴，在圆周方向约有 0 6 m宽。皱褶 深度约3 0 mm， 没有办法处理。 2 烟道热补偿原理的分析和计算 烟道的设计最大压力为 0 2 5 MP a 。 实际 操作压力只有 0 1 5 MP a 从再生器 出来的 烟气压 力约 0 2 2 MP a ， 经 过 一段管 道和三 级 维普资讯 墼 篁 堕塑盐 里塑 堡 塑 里 坌 堑= 型 主 一4 9一 旋风分离器后，再进入此段烟道压力已降 低该烟道 的设计 主要考虑的是热膨胀 问 题烟道的安装是在常温下进行的，操作温 度 达 到 7 0 0 以 上，烟 道 总 仲 长 约 4 7 0 mm。设计采用了膨胀节的角变位采吸收管 线仲长 ，在烟道垂直段的中问位置设有一个 周定支架如图 1 所示，将该段烟道分成上 下两部分 ，每一部分都设有 3 个波纹膨胀节 铰链，以此来吸收管线仲长。 【 1 3 8 7 I 1 6 9 5 5 【 26808 r二 q 卜 坷 口 勋 x 1日 l 蟊 饕 P 。 。 ? 十 三 赛 = 一 l姗 、= 如 - 5 L 围 1烟遒 竖面 田 z l 下部烟道热补偿分析和计算 图 2 细实线是设计位置，虚线是预压缩 的安装位置与设计位置不同的是，竖向尺 寸 A减少 6 4 mm， 安 装 尺 寸 只有 3 9 8 6 mm 横 向尺寸 减少 9 9 ml T l ， 安装尺 寸为 1 2 1 2 4 5 m m 表 1下部烟遒热补偿分析l l l m 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 一 5 0 一 炼油设计 1 9 9 3年第 2 3 卷弟 5 围2下部烟道热补偿 在操作状态下，各段都要仲长仲长量 和伸长后的长度见表 1 由于膨胀节铰链 只 允许角变位 不 允许线 伸长 ，因此 ，变形 后，烟道处于图 2粗实线位置 在图 2中 础 z 表示烟道伸长 以后两个 特殊点的位置 ，设 9 0 弯管的角变位为 则 =D 蜉一( 1 5 7 0 3 5 -E) ， = 3 5 2 0 c o s -3 4 2 6 y=D s i l l = 3 5 2 0 s i n z =C s i n = 1 9 0 9 昌 i n 烟道的竖向长度，可 以用两种方法表示 A = l 1 9 40 +3 5 2 0 s i n =4 0 3 3 +6 0 6 8 2 一( 3 5 2 0 c o s 一3 4 2 6 +1 9 0 9 s i n a r ) 2 +1 9 0 9s Al 和 都是竖 向变形后的长度 ，两值应 该相等。应用 电子计算机进行迭代计算，当 =1 1 1 0 8 5 。 时，IA l A l =0 0 0 4 。A i 和 近似相等 ，说 明 =1 1 1 0 8 5 时接近 实际情 况，此时计算得 = 9 3 3 mm ， 一 6 8 2 mm z 3 7 0 ml T l 2 2 上部烟道热补偿分析和计算 图 3 细实线是设计位置，虚线是预压缩 的安装位置。与设计位置不同的是，尺寸 A 减少 2 1 mm 实际安装为 3 2 7 4 5 mm ； 尺寸D 也减少 2 1 ll l m 实际安装为 1 6 7 4 5 mm在 工作状态下，各段都受热伸长，伸长量和仲 长后各段长度列于表 2 由于膨胀节铰链只 允许角变位，不能吸收线伸长 ，所以各段伸 长后，烟道处于圈 2 粗实线的位置。 田 3上部烟道热朴偿 寰 2上部烟道热 扑1 謇分析mm 在图 3中，暑 z 表示变形以后两个特 殊点的位移，设 9 0 弯管的角位移为 则 =D S in = 1 6 9 0 5 s n 尸 Dc o s f -( 3 9 3 6 5 一E ) = 1 6 9 0 5 c o s - 1 6 7 1 5 z =C s i n =1 7 2 9 5 s i n “ 烟道的竖向长度。可以用两种方法表示 =3 3 l 1 5 + 1 7 2 9 5 o o s +2 8 2 一 ( 1 6 9 0 5 c o s -1 6 7 1 5 +1 7 2 9 5 s i n 咿 =7 8 0 8+ 1 6 9 0 5 s i n r + l l =7 81 9+ 1 6 9 0 5 s i n M和 都是竖向变形后的长度 ，两值应 该相等在 中多加 1 l mm 是三旋出 口 管的竖向热伸长置 用电子计算机进行迭代 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 催 化裂 化 装 置再 生烟 气 管道 设 计 原理 和失 效 原 因分析 刘珊 丰 一 5 I 一 计算 ， 当 =1 5 7 8 7 时， I 一 I =0 0 0 0 7 4 ， M和 M： 近似相等。此时再计算得 =4 6 6 mm 1 8 4 mm z =4 7 6 n 2 n 2 通过上述的分析和计算可以看出，烟道 在受 热变形后 。完 全处于 自由延伸状态 从 理论上讲 ，外力只有烟道的 自身重量和波纹 膨胀节变弯曲后产生的反弹力，自身不会产 生其他阻力。热胀玲缩 自如，设计是合理 的。对 自重和反弹力的影响，也可 以分析 出来 。 对于下部烟道 ，9 O 弯管向上， 自重垂 直向下 ，烟道伸长也是 向下的，它们的方向 一 致 ，自重能促使仲长进一步发展。在安装 这部分烟道 时，竖 向预 留 6 6 m m 补偿盘， 水平方向预留 9 9 m m补偿量。从求出的 ， z值 来看，仲 长是很 明显的 如 果不预 留，位移还要大许多，通过 计算 ，不预 留 时 ， =3 , 2 2 4 6 = 1 8 7 4 mm y= 1 9 8 mm z = 1 0 7 6 mm 可见，比前面计算大许多 ，角变位也大 许 多 。值 得 注意 的是 ，位 移 是 设 计 时 预 料 到 的 不耍采取 支撑来阻 止 自山位 移 ，阻止位 移等于限制仲长，会产生很大的轴向力 对 于上部烟道，9 0 弯管 向下，自重垂 直向下，烟道仲长方向向上。自重是变形的 阻 力。设计 时垂直和水平方向都 只预留 2 l m m 补偿量 ，这是有道理的。口段和 c段的 夹角，在安装状态和工作状态正好相反 ，从 图 3 的虚线位置变到粗实线位置，需要克服 c段管 自重的水平分力。如果 P 膨胀节在 安装时弯曲较大，c段管水平分力也较大， 口段管伸长转变方向就困难，而在虚线方 向 上继续伸长，是非常不利的。所以安装这一 部分烟遭时，耍保证 口段管的摆动 ，是很 重 要 的 。 对 于膨胀节抵抗角变 位所产生 的反 弹 力，也值得 注意。图 4中实箭线表 示反 弹 力 ，虚箭线表示各 管 自重 。可 见反 弹力 都是 烟道 自由变位的阻力 各膨胀节的规格见表 3 。下部一组 3 个膨胀节在轴线平面 内的变 形弹性力 P 和 只 计算如下。 圈 4辫胀节的反弹力 墨 墨壁 壁!塑 量 膨胀节 膨胀节规格， mm 谴角位移 拉忡孵伸 一十谴变 代号直 径x 壁厚嵫 距 数 量 ) 长量 mm 形量 衄n 销轴磨擦力矩 M r = 1 5Po F r 0 2 = 1 , 52 58 9 9 25 002 =3 3 7 2 0 0 ( k g f mm) =3 3 0 7 ( k N m1 各膨胀节弯曲力矩 ：塑 ： ! ! ： 墅 4 23 X1 8 0 =4 0 9 8 1 8 0 ( g f mm】 =4 0 1 9 ( k N m】 = 孚 - 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 炼油设计 1 9 9 3年第 2 3 卷第 5期 4 4 3 1 1 0 7 0 1 0 7 01 1 1 0 8 5 4 231 8 0 =5 1 8 2 4 9 o ( g f。mm) =5 0 8 2 ( k N m) = 竽 4 4 3 1 1 0 7 0 1 0 7 0l _ 2 3 0 4 2 一 了一 两 丁一 =4 5 3 9 3 0 ( k g f- ram) =4 4 5 2 ( k N m 在烟道轴线 平面 内合成 力矩 =M 。 + - 7 4 7 0 l 8 ( 1 【 g f - mm) - 7 3 2 6 ( k N- m) 肘 +M =8 5 5 4 4 9 e , f mm) = 8 3 8 9 ( k N m) M =M M = 7 9 1 1 3 0 ( k g f - ra m) = 7 7 5 8 o ( N m) 变形反 力 p ： 丝： 8 5 5 449 + 7 9 1 1 3 0 B 6 0 0 0 =2 7 4 ( k g f ) =2 6 8 7 o ( N) 一 P ： M t + M “3 D ： ! ! ! ! ! ! 3 4 8 0 =442 ( k g f ) =4 3 3 5 ( 1 t N) 上部 一组 3 个 膨胀节 在轴 线平 而 内的变 形弹性力 只 和 只 计算如下。 销轴磨擦 力矩 = 1 52 51 2 9 6 95 00 2 =4 8 6 3 3 8 ( k g f mm1 =4 7 6 9 ( k N 1 3 3 ) 各膨胀节弯曲力矩 M_： =7 6 7 8 8 4 ( k g f mm) =7 5 3 0 ( k N m) = =1 0 7 5 6 5 7 ( k g f mm) =1 0 5 4 9 ( k N m) M ： ：8 7 3 2 5 9 ( k g f mm) =8 5 6 4 o ( N m) 在轴 线平 面 内的合成 力矩 毛= +M =7 6 7 8 8 4 +4 8 6 3 3 8 =1 2 5 4 2 2 2 ( k g f ram) =1 2 3 0 0 ( k N m) M ， = + = 1 0 7 5 6 5 7+4 8 6 3 3 8 =1 5 6 1 9 9 5 ( k g f mm) =1 5 3 1 8 ( k N l 1 1 ) =M+M =8 7 3 2 5 9 +4 8 6 3 3 8 =1 3 5 9 5 9 7 ( k g f - mm) =1 3 3 3 3 ( k N f n ) 变形反力 ：丝 丝 口 =9 8 6 5 ( k l ：丝 丝 D ： ! 丝 ! =1 0 0 6 ( k g f ) 2 8 0 0 ：堑 塑 ! =1 5 4 2 ( k g f ) 1 6 95 5 _ =1 5 1 2 2 ( k N) 以上计算表明，膨胀节变形反弹力对上部规 格 为 啊 2 0 0 mm 1 0 mm 和 下 部 规 格 为 1 0 0 0 mm1 0 r i ra的烟道，不会产生失稳 变形和焊 日开裂 。 3 烟道失效原因分析 从以上时论情况来看，要确保设计的合 理 、正确 、无误 ，管道的制造安 装还需要严 格要求 。 从管道的制造安装来讲，了解设计意 图 很重要。设计用角位穆来补偿线伸长，实际 上各段管受热伸长量一点也没减少，而是用 三角形的边长关系。原来是一条直线，膨胀 节弯曲后，直线变成 了折线 ，与原来的直线 组成一个三角形，达到 补偿伸 长量的 目的 膨胀节铰链只能在一个方向上弯曲，既不能 压缩和仲长，也不能在其他方向上弯曲因 此，每组 3 个铰链必须在一个平面内，铰链 弯 曲才能灵活 自如，这就是所说 的横 平竖 直否则，3 个铰链分别在三个平面，弯曲 变形不能统一，烟道既产生轴向力 ，又产生 扭矩 ，这可能是烟道失效的主要原因之一 焊缝是烟道薄弱部位，在扭矩作用下，产生 剪应力和拉应力，是造成焊缝开裂的原因 烟道是热胀仲长，轴向力阻止伸长，如果该 轴向力有偏心作用，产生弯矩或偏心压缩， 就会造成烟道受压 侧而失稳变形皱褶 ( 下 转第 7 5 页 ) 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 工 艺管 道 上一 次 仪 表及 其配 臂 的设 计 张 德 姜 一 7 5一 无 危险的设备 上 。 玻璃板液面计有反射型和透光型两 种 适 用 于 介 质 温 度 2 0 0 1 -g n ， 水平方 向间距 2 0 0 mm 波 面计与设备之 间设有切 断阀、法 兰或活接头等，其材质、压力和温度等级不 应低于设备等级。 6 2 2差压液位计 电动、气动 单法兰 液位 差压计 适 用 于有粘性有沉淀易结晶介质的液位测量。适 用 温 度 一2 0 0 2 0 0 ， 测 量 压 力 6 4 M P a 。 电动、气动 双法兰液位差压计，当 测量气相不结晶的一般粘性流体时用平法兰 较合适。测结晶性、沉淀性流体时宜用插入 式法 兰 吹气式测液位用于敞开容器强腐蚀、 悬 浮状介 质的液位测定 。 要求测量范围大，密度变化不大的一 般介质 均可采用差压 测液位 。 6 2 3 外浮筒液位 计 测量范围在 2 m 以下，要求连续控 制或远距离变送的场 所 ，特别是就地 调节系 统宜选用外 浮筒液位 计 。液位计 的表 头上端 距地面或平 台一 般为 1 6 0 0 1 8 0 0 mm 。 当塔底有重沸器时，塔底外 浮筒液 位计管嘴方位不能直接对着重沸器 蒸汽人 口，应错开 9 O 。 方位 塔 内设 有 蒸 汽 汽提 时，为 防 止 冲 击，需设置防冲板。 液位计的安装位置不