（机械工程专业论文）h1混合原料气盘管受力状态及系统改造优化方案研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： h - i 混合原料气盘管受力状态及系统改造优化方案研究 机械工程 蔡振宇( 签名) 李臻( 签名) 贺力奇( 签名) 摘要 乌鲁木齐石化化肥厂二合成转化炉h - i 是二化肥生产装置的关键核心设备之一，混 合原料气预热盘管( 以下简称预热盘管) 又是其必不可少的重要组成部分，担负混合原 料气的预热和转化炉烟道气热能回收的工艺作用，此外，预热盘管内主要介质是易燃易 爆的天然气，因此，其运行的安全性不但关系到长周期生产，更关系到企业的安全生产。 自从1 9 9 7 年1 0 月1 6 日混合原料气盘管的第1 # 、2 # 盘管在焊缝的焊接热影响 区首次发现裂纹( 裂纹沿焊缝热影响区周向分布长约6 0m i l l ，) 以来，之后在其他盘管 再次出现穿透性裂纹。目前，集气管三个支座均已离地不起作用；1 2 根预热盘管，除 1 # 、4 # 和9 # 管堵管外，其它预热盘管与集气管n 9 管座的异种钢焊接接口处都发现了穿 透性裂纹，现场仅在接管处作了局部堵漏出来，严重影响装置的安全运行。由于预热盘 管与集气管焊接处的应力状态受混合原料气进气总管、预热盘管、集气管及猪尾管上集 气管等相连管系，以及对流段烟道气流流场与温度分布的影响，应力关系十分复杂，在 没有经过系统应力分析的情况下，1 9 9 7 年、1 9 9 8 年和1 9 9 9 年三次针对预热盘管异种钢 焊口裂纹问题的技术改造并未彻底解决问题。 本研究课题在现场调查、工艺参数收集及同类化肥企业一段转化炉的调研的基础上， 通过有关部件的传热分析确定，采用国际著名有限元应力分析软件a n s y s i o 0 ，对预热 盘管及其相关管系的几十种模型进行了详细地分析计算，并对n 9 出口管道设置膨胀节和 改变管道等改造方案进行了分析比较。此外，综合分析了异种钢焊接裂纹产生的原因。 本文将详细报告管系应力计算模型建立、计算结果比较分析并提出改造方案。 通过改造方案的实施来提供混合原料气盘管的自由膨胀空间，降低原料混合气预热 盘管与集箱焊缝的应力值，消除焊缝开裂的隐患。 关键词：混合原料气盘管集气集箱n 9 有限元模型应力值膨胀量改造 论文类型：应用研究 ( 本文得到乌鲁木齐石化公司研究资金的资助) 1 1 英文摘要 s u b j e c t ：t h em i x e d f e e dg a sp r e h e a tc o i lo fh 一1c o m p l e t e l ym o d i f ya n ds o l u t i o n s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 矗。 n a m e ：c a iz h e n y u ( s i 印a t l l 他) 叠丕鹜劬z j l e ， g “ i n s t r u c t o r ：l i z h e n ( s i g n a t u r e ) 金兰丛丝 h e l i q i ( s i g n a t l l n 门现拿j e w a b s t r a c t c n p cu r u m q ip e t r o c h e m i c a lf e r t i l i z e rp l a n t ss e c o n ds y n t h e s i sr e b o m e rh - 1i so n eo f t h ek e ya n dc o r ee q u i p m e n to ft h es e c o n dc h e m i c a lf e r t i l i z e rp r o c e s su n i t s t h em i x e df e e d g a sp r e h e a tc o i l ( i nt h ef o l l o wc a l li tp r e h e a tc o i lf o rs h o r t ) i sa l s ot h en e c e s s a r yc o m p o n e n t e l e m e n t ，u n d e r t a k i n gt h et e c h n o l o g i c a la c t i o ni nm i x i n gr a wg a sa n dr e c y c l i n gt h eh e a to f s t a c kg a si nr e b o m e r , w h a t sm o r e ，t h em a i nm e d i u mi np r e h e a tc o i li sf l a m m a b l ea n d e x p l o s i v en a t u r a lg a s ，s ot h es a f e t y i no p e r a t i o nc o n c e r n sn o t o n l yt h el o n g p e r i o d m a n u f a c t u r eb u ta l s ot h es a f e t yp r o d u c t i o ni ne n t e r p r i s e f r o mo c t o b e r16i n19 9 7 ，t h ec r a c k s ( t h ec r a c k s l e n g t ha l o n gw e l dh e a t - a f f e c t e dz o n e s w e e ki sa b o u t6 0 m m ) w e r ef i r s tf o u n di nt h el 撑、2 撑c o i lo ft h em i x e dr a wg a sp r e h e a tc o i l s ， t h e n , p e n e t r a t i n gc r a c k sw e r ef o u n di no t h e rc o i l sa g a i n n o w , t h et h r e es u p p o r t si ng a s c o l l e c t o rh a da l ll e f tt h el a n da n do fn ou s e ；t h et w e l v ep r e h e a tc o i l s ( e x c e p tt h el 撑、 4 # a n d 9 # c o i lf o rt h ec a u s eo fp i p eb l o c k a g e ) a n dt h eg a sc o l l e c t o rn 9 ss o c k e th a df o u n d p e n e t r a t i n gc r a c k si n t h ew e l d i n t e r f a c eo fd i s s i m i l a rs t e e l s b u to n l ym a d es o m el o c a l l e a k i n gs t o p p a g eo ns i t e ，t h i ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h es a f eo p e r a t i o no fd e v i c e t h es t r e s ss t a t e i nt h ew e l d so ft h ep r e h e a tc o i l sa n dg a sc o l l e c t o r sa s s o c i a t e d 、析mt h em a i nm i xr a wg a s p i p e d ，p r e h e a tc o i l s ，g a sc o l l e c t o r sa n ds oo n , a l s oa f f e c t e d t h ea i r f l o w - f i e l do ft h e f l o w - s e c t i o na n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n t h es t r e s s r e l a t i o n s h i pi sv e r yc o m p l i c a t e d ，f o r n o tu n d e rt h ec o n d i t i o no fa n ys y s t e ms t r e s sa n a l y s i s ，t h et h r e et e c h n i c a lt r a n s f o r m a t i o n s i n l9 9 7 ，19 9 8a n d19 9 9w h i c hw e r ef o c u s e do nt h ep e n e t r a t i n gc r a c k si nt h ew e l d - i n t e r f a c eo f d i s s i m i l a rs t e e l sd i dn oc o m p l e t e l ys o l u t i o n t h i sr e s e a r c hs u b j e c tw a sb a s e do nf i e l ds u r v e y , c o l l e c t i o n so ft e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n d o t h e rc h e m i c a lf e r t i l i z e rc o r p o r a t i o n s i n v e s t i g a t i o n , d e t e r m i n e db yt h eh e a tt r a n s f e ra n a l y s i s o fs o m ec o m p o n e n t s ，u s e da n s y s10 0t h ew e l lk n o w ns o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， c a l c u l a t e ds e v e r a lm o d e l so fp r e h e a tc o i l sa n do t h e rm e n t i o n e dp i p i n g t h i ss u b j e c ta l s o a n a l y z e da n dc o m p a r e dt h em o d i f i c a t i o n so fs e t t i n ge x p a n s i v es e g m e n ti nt h eo u t l e t , c h a n g i n gp i p e l i n ea n ds oo ni nd e t a i l i na d d i t i o n ，t h i sc a nc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s i st h e c a u s eo fc r a c k si nt h ew e l d i n t e r f a c eo fd i s s i m i l a rs t e e l s t h ea r t i c l ew i l lm a d ead e t a i l e d r e p o r to nt h ee s t a b l i s h m e n to fs t r e s sc a l c u l a t i o nm o d e lo fp i p i n gs y s t e m ，t h er e s u l to f i i i 英文摘要 c a l c u l a t i o na n dc o m p a r i s o n , a n dt h er e f o r m i n gs c h e m ew i l lb ep r o p o s e d t h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o no fm o d i f i c a t i o ns c h e m et op r o v i d et h ef r e ee x p a n s i v es p a c e i nt h em i x e dg a sc o i l ，l o w e rt h em a g n i t u d eo fs t r e s sb e t w e e nt h em i x e dr a wg a sp r e h e a tc o i l a n dt h ew e l d i n gs e a m so ft h es a v e r , a l s oe l i m i n a t et h eh i d d e nt r o u b l e si nt h ew e l dc r a c k i n g k e y w o r d s ：m i x e df e e dg a sc o i l ，g a sc o l l e c t o r ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yp e t r oc h i n au r m u q ip e t r o c h e m i c a lf e r t i l i z e rp l a n t ) i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：型日期：矽j 【产o 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公 开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：_ 务够了日期：砸_ 勿d 导师签名：日期：多p 护i o 肛 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 目的和意义 乌鲁木齐石化化肥厂二合成氨装置一段转化炉( 设备位号h 一1 ) 是二化肥生产装置 的关键核心设备之一，混合原料气预热盘管又是其必不可少的重要组成部分，担负混合 原料气的预热和转化炉烟道气热能回收的工艺作用，此外，预热盘管内主要介质是易燃 易爆的天然气，因此，其运行的安全性不但关系到长周期生产，更关系到企业的安全生 产。从1 9 9 5 年装置投料试车以来，混合原料气预热盘管出口与集气集箱管座对接焊缝多 次发生开裂事故，造成合成氨装置被迫停工3 次，冒险作业带压堵漏施工作业一次，给 乌石化化肥厂带来了巨大损失和安全生产隐患，为保证装置“安”、“稳”、“长 、“满 、 “优 运行，化肥厂决心对其进行改造，解决设备本质安全运行问题。 1 2 国内外现状 9 0 年代初期，国内引进了3 套以天然气为原料的大化肥装置，分别为四川天华、锦 天化和乌石化3 0 万吨合成氨装置，其采用节能型美国布朗合成氨工艺，做为该套装置的 关键设备之一的一段转化炉，在原始试车及试车后的正常运行中，一直存在着一系列问 题，表现较为突出的是：对流段热量分配不均，上部两组盘管( 锅炉给水预热盘管、原 料气预热盘管) 达不到设计温度，而中、下部四组盘管温度偏高，特别在开、停车及系 统负荷较低的情况下尤为明显。炉体热损大，燃料天然气用量也远高于设计值。这就造 成了一段转化炉炉体、盘管超温，既不满足节能的要求，也不利于设备的长周期运行。 引进的3 套装置的一段转化炉在结构上略有不同，一是转化管数量和间距不同，二 是炉体对流段的结构形式不同。通行的设计思路均采用直壁侧烧炉，一般来说结构上的 不同会造成热效率不同。一般说来结构紧凑的炉型热效率较高，但同时带来超温及操作 弹性小的问题。炉型较大的也不能说热效率低于紧凑型炉型，但投资较大，一段转化炉 投资通常占合成氨装置总投资的1 4 1 3 ，乌石化一段转化炉炉型较小，因此盘管超温 问题比较突出。一段转化炉另一结构差异为辐射段拱顶采用外加烧嘴的方式，可以通过 调节烧嘴考克来调整对流段的温度，操作弹性较大，乌石化一段转化炉无此设计，因此 也无此调节手段。一段炉炉温主要通过调节燃气考克、废气考克及风门来达到最优的燃 烧效果：火焰发蓝，有刚性，不舔转化管，炉温均匀，全系统不超温，能够满足产蒸汽 量即达到目的。 从国内炉型的差异化和调节方式可以看出，处于一段炉对流段的混合原料气盘管的 受热及受力状态是不同的，但共性的表征为设计方案在保证传热的基础上，努力减小混 合原料气盘管的热应力，炉体内部将混合原料气盘管设计为s 形，类似与换热器管束的 正三角形排列，并外加翅片，以充分增加与烟气的接触面积。材质上选用耐热性能及抗 氢腐蚀性能较好的高温合金材质，以增加高温机械性能。炉体外部则通过管系膨胀装置， 西安石油人学工程硕士论文 增加盘管的自由膨胀来达到消除应力的目的。矛盾也随之产生，设计方通常计算投资和 设计费效比，一段炉结构化的差异决定一段炉外部设计不能完全照搬其他厂的，乌石化 混合原料气盘管反复发生问题后国外设计方意大利t c m 公司也已经意识到设计出现了问 题，并进行了小幅度的设计变更，但没有根本解决此问题。2 0 0 5 年至2 0 0 7 年乌石化委 托宁波设计院校核管道应力后确认设计有缺陷，混合原料气盘管与集箱管座对接焊缝的 应力超出焊缝的许用应力。混合原料气盘管( 材质s a 3 1 2t p 3 4 7 h ) 与集箱管座( s a 3 3 5 - p 2 2 ， 2 2 5 c r l m o ) 为异种钢焊接，在长期高温和临氢环境使用下s a 3 3 5 - p 2 2 本身具有产生热裂 纹倾向，焊缝开裂在国内设备中屡见不鲜，这种材质钢的焊接工艺对热处理要求相当严 格，因为这种钢还有延迟裂纹的倾向，即使焊接完毕采用射线探伤或超声波探伤合格也 不能保证以后使用中不在焊缝上产生裂纹。国内的研究表明，2 2 5 c r l m o 的焊接焊缝在 使用1 0 年左右检验合格的焊缝产生裂纹的几率会提高。除乌石化装置外，另两套装黄也 出现了问题，只是矛盾集中在铬钼钢与不锈钢的异种钢焊接上。相关技术部门没有考虑 到应力核算的问题，1 9 9 9 年前后，混合原料气盘管的下一层盘管过热蒸汽盘管在三个厂 均出现了塌陷现象，通过炉内部加支撑墙的方式解决。乌石化装置最先出现混合原料气 盘管超温问题，并提出了工艺方案实施改造，川天华随之进行了也进行了改造。2 0 0 4 年 乌石化化肥厂更换了全部的混合原料气盘管，更换下来的盘管变形严重，翅片脱落，已 看不到高温不锈钢管线的金属本色。 1 3 课题的来源和背景 1 3 1h - 1 混合原料气盘管的工艺介绍 乌鲁木齐石化化肥厂二合成转化炉h - i 的混合原料气盘管在装置原始设计时的工艺 作用是将来自脱硫以后的原料天然气与工艺蒸汽混合之后，在一段转化炉对流段进行预 热，使其温度达到设计的5 5 0 后送入一段炉触媒管反应，工艺流程见图i - i 。 高变出口气 锅炉给水 高压蒸汽 图i - ie - i o 新增旁路示意图 混合原料气 新增冷旁路 混合原料气 第1 章绪论 由企业提供的h l 相关工艺参数见表1 - 1 所示。其中项目列号为6 表示的进预热盘管截面 烟道气温度和项目列号为7 表示的出预热盘管截面烟道气温度均为一段转化炉h l 操作手 册给出的数据，而项目列号为8 表示的进蒸汽盘管截面烟道气气温度和项目列号为9 表 示的出预热盘管截面烟道气温度为实际操作数据( d c s 读取的操作数据) 。表1 - 1 一段转 化炉h 1 有关工艺参数 出进进 出 预蒸预 n 9 进预 执 汽 孰 混 热盘 盘盘盘 进n 8 混合原料气 厶 烟道气管管管 口 流量 管截 截截截 过热蒸汽盘管的进出参数 原 面烟 面面面 料道气 气 烟烟 烟 道道道 气气 气 项目 l23456789 1 0 l l 1 21 3 温 温 温度 温温温进口出口 度 流量压力 度 k g h 度度度温度温度 流量压力 k g h m p at h m p a 正常 ( 设计 4 1 59 2 0 4 03 3 l5 5 02 7 3 5 0 07 5 06 6 08 3 06 3 0 4 1 25 1 52 0 41 2 。5 值) 最人 4 4 0 9 4 8 0 13 55 7 52 9 6 3 08 3 07 0 78 5 06 6 04 1 55 2 01 2 5 最小 ( 7 0 4 0 56 4 4 2 83 15 4 5 2 0 1 4 5 0 8 1 56 1 9 4 l o5 0 02 0 01 2 5 负荷) 1 3 2h 一1 混合原料气盘管的设备介绍 混合原料气盘管及其管系布置如图1 - 2 所示。混合原料气盘管设计压力3 7 b a r ，管 壁设计温度6 6 0 ，材料为a 3 1 2t p 3 4 7 h ( 奥氏体不锈钢) ，规格( 外径x 壁厚) 为1 1 4 3 6 0 2 ( 姗) ，管外每一米长度设置规格( 厚高) 为1 5 x 2 5 m m 的强化传热翅片2 0 0 片；与其相连接的盘管进气管n 8 为材料为a 3 3 5p l l ( 1 三c r 三一m o ) ( 铁素体合金钢) ， 42 规格( 外径壁厚) 为：4 0 6 4 1 2 7 ( 姗) ；与其相连接的盘管出口集气管n 9 为材料为 a 3 3 5p 2 2 ( 2 三c r l m o ) ( 铁素体合金钢) 规格( 外径壁厚) 为：4 0 6 4 3 0 9 6 ( 姗) 。 4 1 预热盘管均通过材料为s a l 8 2 一f 2 2 ( 2 三c r l m o ) 的锻件管座与n 9 ，预热盘管均通过材料 4 11 为s a l 8 2 一f 1 1 ( 1 三c r z m o ) 的锻件管座与n 8 焊接。因此，图卜3 a 和图卜3 b 所示的盘 42 管与n 9 管座之间属于异种钢焊接。 3 西安石油大学工程硕士论文 图1 - 2预热盘管及其管系布置示意图 图l - 3 a 混合原料气盘管的出口集气集箱( n 9 ) 峙 cl 1 例 u 硼 1 5 帅l 铷 1 名 ii iii lll 门丌j w + u g , 4 2 8 ，翮 if - -n il l l ifi i 厂- q 叫幽 l= j1 r _ 遵 1 0 l 8谨 交 j 皇 r i7 s 5 a 5铷z 函e l 啦51 5 2蹲战腩= l o 蛸4 2 7 。 j 一 k t l 。芒k 。l 。曼芒士，芒士，工一芒士当芒曼 窝 f 勿a鼍- 一t 一卫 叶叶一、r 、1 一厂、叶一厂叶一r r 叶厂丫y v l !， 。 ， 一 气r 1 彰j i l 一 要 l 蕊划7 i2 8 9 l 峨i l l _ 血l 聋 惜幅 强l 锄a 图l - 3 b 混合原料气盘管的出口集气集箱( n 9 ) 与盘管连接图 4 第1 章绪论 1 3 3 课题来源和背景 自1 9 9 7 年5 月试运行装置以来，由图1 - 2 所示的混合原料气盘管出口集气集箱( n 9 ) 温度却一直高于设计值，一般维持在5 6 0 - - 5 7 5 ，对盘管的正常使用寿命构成威胁，在 装置运行中，多次发现图卜3 a 所示盘管出口1 # 、2 # 盘管有烧红现象。1 9 9 7 年8 月2 6 日，发现混合原料气盘管出口1 # 、2 # 盘管与集气总管间的焊缝产生裂纹，造成工艺气大 量泄漏，装置被迫停车处理，将焊缝开裂处重新打磨、补焊，同时为降低盘管出口温度， 又将工艺空气盘管的减温水喷咀移至混合原料气盘管入口，但装置重新运转后问题依然 存在，超温现象没有得到控制，其出口温度仍然维持在5 6 0 - - 5 7 5 之间。1 9 9 7 年1 0 月 1 6 日装置停车大修，t c m 专家经过核算，认为混合原料气盘管设计换热面积过大，造成 吸热量过多而使盘管出口超温，为减小换热面积，做出了将4 # 、9 # 盘管割除并封堵的方 案，盘管经过改造后，其出口温度相比于改造前明显降低了5 1 0 ，但仍高于设计值。 1 9 9 8 年3 月现场仍能发现其出口有烧红现象，并有向3 # 、4 # 、5 # 、6 # 、7 # 盘管推 移的趋势，后又将经常烧红的l # 盘管也割除并封堵，但盘管出口超温问题仍未得到彻底 的解决。为彻底解决混合原料气盘管出口超温问题，1 9 9 9 年2 月2 3 日装置停车小修期 间，在e 一1 0 壳侧进出口管线上增加了一条8 ”冷旁路管线如图1 - 1 虚线所示。该旁路可 使出v - 6 a b 的工艺原料气与工艺蒸汽混合后不经过e - i o 换热而直接进入混合原料气盘 管，从而降低盘管出口温。经过一段时间的投用以后，通过调节现场的8 ”冷旁路阀来控 制混合原料气出口温度，效果十分明显，与此同时，由于减少了e - i o 壳侧带走的热量， 即相当于增加了提供给e 一1 1 的热量，使e - 1 1 的蒸汽产量也有所提高，至此以为混合原 料气盘管超温问题彻底得到了解决。一段转化炉几次改造后混合原料气盘管改造前后工 艺参数对照表见表卜2 。虽然通过1 9 9 9 年技术改造解决了混合原料气盘管超温问题， 但是自从1 9 9 7 年1 0 月1 6 日混合原料气盘管的第l # 、2 # 盘管在焊缝的焊接热影响区 首次发现裂纹( 裂纹沿焊缝热影响区周向分布长约6 0m m ，) 以来之后经1 9 9 9 年工艺改 造后，2 0 0 4 年、2 0 0 5 年、2 0 0 6 年、2 0 0 7 年连续四年在其他盘管再次出现穿透性裂纹。 目前，集气管三个支座均已离地不起作用；1 2 根预热盘管，除l # 、4 # 和9 # 管堵管外， 其它预热盘管与集气管n 9 管座的异种钢焊接接口处都发现了穿透性裂纹，现场仅在接管 处作了局部堵漏出来，严重影响装置的安全运行。由于预热盘管与集气管焊接处的应力 状态受混合原料气进气总管、预热盘管、集气管及猪尾管上集气管等相连管系，以及对 流段烟道气流流场与温度分布的影响，应力关系十分复杂，在没有经过系统应力分析的 情况下，实践证明1 9 9 7 年、1 9 9 8 年和1 9 9 9 年三次针对预热盘管异种钢焊口裂纹问题的 技术改造并未彻底解决问题。 西安石油大学工程硕士论文 表1 - 2 混合原料气盘管改造前后工艺参数对照表 负荷 t “0 6t 1 2 8 0 t 1 2 4 4 负荷t i l 0 6t 1 2 8 0 t 1 2 4 4 时间 时间 1 9 9 7 9 - l1 0 05 7 48 2 85 7 81 9 9 7 - 1 l - l9 55 5 47 9 25 5 0 l9 9 7 9 6l o o5 7 58 2 45 7 71 9 9 7 1 2 - 38 55 4 47 9 05 4 5 妲 楹 1 9 9 7 9 1 29 9 95 6 97 9 85 5 l划1 9 9 7 1 2 一1 28 3 65 4 87 9 15 4 3 蜊 1 9 9 7 9 1 89 8 65 7 l8 1 05 5 4 怒 怒 懿 1 9 9 7 1 2 2 68 35 5 77 8 l5 5 3 趣 l9 9 7 9 2 58 3 85 7 07 7 05 4 2 l 1 9 9 8 1 58 4 55 5 97 9 35 5 8 拣 捌 l9 9 7 9 3 08 25 5 97 6 85 3 8 敬 l9 9 8 - 2 98 3 65 5 47 8 95 6 0 胡 1 9 9 7 1 0 37 9 25 6 47 6 15 3 3l9 9 8 2 2 48 5 95 6 38 0 75 6 3 1 9 9 7 1 0 87 8 75 6 57 6 05 3 51 9 9 8 3 1 48 8 55 4 6 8 2 0 5 7 3 19 9 8 9 2 6 9 7 55 4 87 8 75 5 2 l9 9 9 3 5 9 6 55 5 78 1 75 7 4 1 9 9 8 1 0 3 09 8 25 5 57 9 95 6 41 9 9 9 - 4 19 65 4 98 1 55 8 2 l l g j | 雩 1 9 9 8 11 59 7 45 5 98 l o5 7 0馥1 9 9 9 5 3 l9 5 35 4 68 2 l5 8 5 怒 钶譬 懿 1 9 9 8 1 1 2 6 9 75 6 38 0 65 7 2ol9 9 9 - 6 3 09 6 25 5 08 2 45 8 8 1 1 1 9 9 9 1 49 6 25 7 08 0 8 5 7 6 【工 1 9 9 9 7 49 5 15 5 l8 1 45 8 7 j 1 8 魁 缸1 9 9 9 1 3 0 9 5 55 7 58 0 4 5 8 l 靶 l9 9 9 8 39 3 35 5 48 2 l5 9 0 胡 1 9 9 9 2 1 9 5 55 7 5 8 0 95 8 l1 9 9 9 1 0 - 29 55 3 l8 0 75 6 3 19 9 9 2 2 3 9 5 35 8 l8 1 65 7 91 9 9 9 1 0 2 6 1 0 0 5 3 08 2 05 5 8 注：表卜1 中t i 一1 0 6 为混合原料气盘管出口温度；t i - 2 8 0 为对流段烟气进入混合原料气盘管温度； t i 一2 4 4 为对流段烟气出工艺空气盘管温度( 文献 1 中误为：t i 一2 4 3 为对流段烟气出混合原料气 盘管温度) 。 1 4 课题的分析方法和工作任务 本课题是在已经设计并投入运行的h 一1 混合原料气盘管系统上开展研究，研究的目 的和任务是为了解决h - 1 混合原料气盘管与集气集箱n 9 焊缝开裂的工程问题，并把研究 成果在工程上加以实践和应用。受现场装置及其安装位置的影响，本研究课题的出发点 在原设计的基础上对不合理的地方进行优化改造，因此模型的设计应符合现场实际并能 够按方案进行实施。 本课题的分析方法为通过有关部件的传热分析确定，采用国际著名有限元应力分析 软件a n s y s l 0 0 ，对预热盘管及其相关管系的几十种模型进行详细地分析计算，通过计 算来提供h - 1 混合原料气盘管改造的备选方案。本文将详细报告管系应力计算模型建立、 计算结果比较分析及建议改造方案。 本课题的工作任务为： 1 ) h - 1 设计施工资料、操作运行、故障记录、修改改造和现状资料收集，及国内类 似装置运行情况调研。 2 ) 转化炉( h 一1 ) 混合原料气预热盘管与集气管焊接处裂纹产生原因的分析研究 3 ) 混合原料气预热盘管及其相关管系应力计算力学的建立模型，包括： 6 第1 章绪论 ( 1 ) 考虑管系实际情况下的有限模型简化界定和约束方式确定； ( 2 ) 考虑各计算工况下烟道气传热影响的各管道壁度参数的确定； ( 3 ) 各计算工况下的压力载荷的确定。 4 ) 在各计算工况下预热盘管及其相关管系有限元应力计算分析比较，包括： ( 1 ) 不考虑n 9 连接管情况下预热盘管的有限元计算，以模拟分析预热盘管的自 由膨胀工况； ( 2 ) 现有运行状况下预热盘管及其管系的有限元计算，以分析导致混合原料气预 热盘管与集气管焊接处应力水平； ( 3 ) 分析计算混合原料气预热盘管支撑对管系应力大小的影响。 5 ) 整体改造方案的分析设计与优化 ( 1 ) 改变管道走向改造方案及预期改造效果 ( 2 ) 设置膨胀节改造方案及预期改造效果 7 两安石油大学工程硕士论文 第2 章异种钢焊接处裂纹产生原因分析 2 1 异种钢焊接接头的破坏机理 异种钢焊接接头一般主要指奥氏体钢和铁素体钢之间的连接形式。由于满足结构强 度、耐腐蚀性及选材经济性等方面的需要，异种钢焊接广泛应用于石油化工设备、电站 等行业的高温管道和部件连接中。由于异种钢焊接接头的化学成分的不均匀性、金相组 织的不均匀性和机械性能的不连续性，这种显著的不均匀性使得焊接接头不同区域在相 同的条件下，表现出来的行为有很大的差异，出现弱化区域和强化区域，尤其是在高温 的条件下，异种钢焊接接头在服役过程中经常出现早期失效，因此，如何提高异种钢焊 接接头的综合性能成为工程界和学术界普遍关注和研究的重大课题，国内外许多学者从 各个方面以不同角度去研究异种钢焊接接头的破坏原因，文献 2 7 对2 2 5 c r l m o 奥氏 体不锈钢堆焊接头熔合区碳的迁移及成分分析、采用镍基和奥氏体焊材焊接接头的高温 性能、高温临氢管线和加氢裂化反应装置中异质焊接接头的显微组织特征及其在高温下 的失效行、以镍基焊材作为填充材料的锅炉异种钢接头焊接工艺等方面进行了研究。对 异种钢接头的破坏原因，存在着各种看法，其中一致的意见是：异种钢接头的破坏，主要 是由于在恶化了的显微组织区内产生局部应变，超过了材料的允许范围。主要起因归纳 如下： ( 1 ) 碳的迁移。奥氏体钢和铁素体钢之间的异种钢焊接，例如：a 3 1 2t p 3 4 7 h ( 奥氏体不 锈钢) 与s a l 8 2 - f 2 2 ( 2 2 5 c r l m o ) ，采用奥氏体钢焊条进行焊接形成的异种钢焊接接 头，在热处理或高温运行时，在焊接溶合区处产生碳迁移现象，即在靠近焊接熔合 线的铁素体钢母材热影响区侧出现脱碳层，而在熔合线靠近焊缝金属( 奥氏体) 的 一侧出现增碳层。这些区域在刚焊后的情况下是不存在的，但在焊后热处理或高温 运行后就显露出来了。产生这种迁移现象主要不是由于碳浓度差引起，而是由化学 势差引起的上坡扩散。由于碳化物元素对c ( 碳) 有很大的亲和作用，导致c 从c r 含 量较低的铁素体钢母材向c r 含量较高的焊缝区迁移，从而在焊缝一侧产生一个增碳 层，在母材一侧产生一个脱碳层。碳迁移是导致焊接接头高温机械性能下降，高温 下失效断裂增加，影响高温使用寿命的主要原因之一。失效主要表现为：脱碳层的 强度和硬度均大大低于增碳层，增碳层的韧性下降而脆性断裂以及脱碳层强度下降 而导致的断裂。此外，研究还表明，焊后热处理对异种钢焊接接头熔合区显微组织 和成分影响很大。焊后热处理可以一定程度地降低热影响区的脆性，但不能根本降 低接头熔合区脆性，降低增碳层和脱碳层宽度，增碳层和脱碳层宽度随热处理参数 的增加而增加，因此，对于异种钢堆焊接头的焊后热处理应慎重。 ( 2 ) 接头中的铁素体钢与奥氏体不锈钢焊缝之间的强度不匹配，特别是在运行温度下， 铁素体钢强度比焊缝金属低得多，在铁素体中产生应力集中。 8 第2 章异种钢焊接处裂纹产生原因分析 ( 3 ) 裂纹通常起始于或接近于外表面，直接起因于空穴的连接、晶面分离或者撕裂，一 般平行于焊缝交接面。 ( 4 ) 裂纹与氧化。一氧化物缺口有关或者氧化加速了开裂。 ( 5 ) 热膨胀系数不同而形成的热应力。由于焊缝金属与基本金属之间热膨胀系数不同， 在锅炉启动或停炉的加热和冷却过程中，接头内在母材与焊缝交界面上( 熔合线处) 将产生高的应力。 ( 6 ) 接头设计、坡口角度和焊接质量的是影响接头破坏的一个很重要的因素。 ( 7 ) 由于管子外部支撑不当引起的弯曲应力，振动加载及管子内部压力等引起的应变， 超过了接头中任一显微组织结构区所能承受的应变许可值。 ( 8 ) 焊后热处理促使不锈钢和镍基过渡接头过早断裂。 关于采用不同焊接材料对异种钢焊接接头性能的影响研究和工程应用表明，采用镍 基焊条有以下优点： ( 1 ) 镍基焊条形成的焊缝由于n i 元素含量很高，能够有效地抑制碳迁移的发生，从而在 服役寿命内延缓碳迁移的发生，如果合金元素搭配合理，即使在服役初期发生了轻 微的碳迁移，在随后的服役中已经发生的碳迁移也会渐渐消失。 ( 2 ) 镍基焊条形成的焊缝的热胀系数与母材相差不大，不会引起较大的热应力。比如， 奥氏体钢a 3 0 2 的热胀系数大约为1 8 u m m k ，珠光体耐热钢c r 5 m o 的大约为1 4 u m m k ，镍 基焊条i n c o n e l 8 2 的大约为1 4 5 um m k 。很显然，用镍基焊条焊接铁素体钢形成的异 种钢焊接接头由于热胀系数不同而造成的热应力要比用奥氏体不锈钢a 3 0 2 焊接的接 头的热应力小很多。 ( 3 ) 镍基合金的高塑性和高温强度对于缓解近缝区应力有很大的帮助。 所以，从理论上说，采用镍基焊条可解决异种钢焊接碳迁移以及热胀系数不匹配的 问题。以c r 5 m o 为例，以前所用的焊接材料一般是耐热钢焊条或者奥氏体不锈钢焊条， 现在人们将注意力都集中在了镍基焊条上。 2 2 混合原料气开裂原因分析 材料为a 3 1 2t p 3 4 7 h 的混合原料气盘管通过材料为s a l 8 2 - f 2 2 ( 2 2 5 c r l m o ) 的锻件 管座与材质为a 3 3 5 一p 2 2 ( 2 2 5 c r l m o ) 的集气集箱n 9 进行焊接，因此开裂焊接接头为典 型的异种钢焊接接头。正常操作情况下n 9 出口原料气体出口温度为5 5 0 ，而一段转化 炉在1 9 9 9 年技术改造前一直处于超温运行状况，n 9 出口温度高达5 8 0 。由于对流段烟 道气引风机转速不同导致烟道气偏流，使经过1 # 预热盘管烟道气温度与较经过1 2 # 预热 盘管烟道气温度高1 0 - - 一2 0 ，因此，1 # 预热盘管的壁温将最高，与文献 1 实际测定吻 合。 根据一段转化炉安装资料记录，该焊口采用了奥氏体焊条焊接，因此，该焊口存在 9 西安石油大学工程硕士论文 碳的迁移的倾向。由于温度越高越有利于碳迁移的发生，这与乌鲁木齐石化公司化肥厂 设备操作与检修记录1 # 预热盘管异种钢焊口最早出现裂纹的结论一致。所以，一段转化 炉原料气预热盘管的异种钢焊口出现裂纹是由于异种钢焊缝碳迁移并在管系应力的联合 作用下而导致的，出现在焊缝机械性能最薄弱位置( 靠近管座侧热影响区) 产生。 由研究表明，用奥氏体焊条焊接异种钢( a 3 1 2t p 3 4 7 h 与s a l 8 2 一f 2 2 ( 2 2 5 c r l m o ) ) 的焊接接头，在5 0 0 以上高温运行碳的迁移不可避免，另外由于s a l 8 2 一f 2 2 ( 2 2 5 c r l m o ) 其合金含量接近4 ，有较高的淬硬倾向，因而焊缝质量对采用的焊接工艺、实际施焊操 作、焊条烘干、焊前预热和焊后处理等情况十分敏感，某一环节稍一疏忽就可能产生氢 制延迟裂纹。所以，连接焊缝裂纹产生很可能是焊接过程的残留氢和操作介质氢扩散的 联合作用在焊缝金属的薄弱环节聚集而产生的氢制延迟裂纹；产生宏观裂纹后，又由于 裂纹尖端存在很高的应力梯度，氢原子通过应力诱导扩散向高应力区富集，当裂纹尖端 局部地区氢浓度达到临界值后，导致延迟裂纹进一步扩展，直至裂纹穿透焊缝发生介质 气体泄漏。因此这种铬钼钢焊缝的开裂原因是及其复杂的，尤其应力超高的部位产生裂 纹的几率是很大的。 因此，解决一段转化炉原料气预热盘管异种钢焊口出现的裂纹问题，必须从三个方 面着手：一方面：通过改造n 9 外出管道( 如：增加柔性元件或改变管道走向等) ，降低 焊口处综合应力水平；同时，采用镍基焊条修复异种钢焊口；此外，严格控制预热盘管 与n 9 超温运行。第三，严格控制焊接工艺，施工过程加强现场管理，焊接完毕后按规定 进行相应的理化检验，防止裂纹等焊接缺陷缺陷埋入焊缝。 1 0 第3 章预热盘管及其相戈管系有限元分析 第3 章预热盘管及其相关管系有限元分析 由于预热盘管及其相关管系在高温运行情况下应力状况十分复杂，而且受各支座约 束影响十分敏感，更无法简单进行估算，因此，为了较精确的计算异种钢焊接处的应力， 我们将预热盘管及其相关管系作为一个整体建立力学模型进行有限元分析，采用国际著 名有限元应力分析软件a n s y s i o0 ，对预热盘管及其相关管系进行了详细地分析计算。 由于a n s y s i o0 作为商业化通用应力分析软件已得到国际公认，同时，也被我国压力容 器标准化委员会认可为应力分析设计指定应力分析软件之一，因此，如何正确建立管系 应力计算模型是关键。包括：模型的简化界定、约束的选择、载荷参数和温度参数的确 定。 3 1 模型的简化界定 根据一段转化炉配管情况的现场观测和图纸 分析研究发现：由于n 8 与p 1 0 2 一d j j 3 管道相连接 处有一个固定支座( 见右图) ，因此，可以认为 p 1 0 2d y l l 3 管道对n 8 及其预热盘管的作用已这一 固定支座屏蔽，因此在管系应力计算模型建立 时n 8 一端以该固定支座为界。而另一端，则考虑 与炉管相连的猪尾管末端为界。由于转化炉管通 过弹簧吊架允许向上下( 炉管的轴向) 热膨胀和 转动，但不允许横向( 即，炉管的径向) ，因此 x ，y