催化裂化外取熱器管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

呂連杰，王 斌

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催化裂化外取熱器管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

呂連杰，王 斌

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071）

外取熱器是催化裂化裝置中保持反應(yīng)器、再生器熱平衡的主要設(shè)備。詳細(xì)介紹了下流式外取熱器翅片式管束的特點(diǎn)，并從選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算和制造檢驗(yàn)幾方面對(duì)其分析。

外取熱器; 選材; 計(jì)算; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外取熱器是一種由水作介質(zhì)并流經(jīng)管內(nèi)（或殼內(nèi)），吸收高溫催化劑熱量，發(fā)生蒸汽，完成熱量轉(zhuǎn)移，維持裝置熱平衡的設(shè)施[1-4]。

隨著催化裂化裝置加工原料的重質(zhì)化和摻渣比的不斷提高，裝置反應(yīng)生焦量和過(guò)剩熱相增大，過(guò)剩的熱量必須轉(zhuǎn)移出去，否則將會(huì)引起催化劑水熱失活。水熱失活將對(duì)催化劑產(chǎn)生破壞作用。轉(zhuǎn)移熱量的辦法就是對(duì)催化劑進(jìn)行冷卻，即取熱。因此外取熱器在重油催化裂化裝置中的作用異常重要[1]。

外取熱器技術(shù)在催化裂化裝置中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但由于外取熱器是從高溫催化劑中取熱，工作條件十分惡劣，并且催化裂化裝置外取熱器換熱管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接形式變化多樣，而且熱負(fù)荷分布不均勻，實(shí)際應(yīng)用中許多廠家都發(fā)生過(guò)外取熱器管束焊縫拉裂、磨損及腐蝕穿孔等問(wèn)題。這些問(wèn)題不但使外取熱器的使用壽命大為縮短，而且反應(yīng)再生系統(tǒng)內(nèi)的多余熱量不能及時(shí)取出而嚴(yán)重影響生產(chǎn)[5-7]。

1 外取熱器的結(jié)構(gòu)

外取熱器實(shí)際上是一種立置管殼式蒸汽發(fā)生器。它主要有三部分組成：封頭和筒體組成的殼體、取熱管束和催化劑循環(huán)管道。

目前外取熱器均采用管程走汽水混合物的類型。管束有蛇管式管束、垂直列管上下聯(lián)箱式管束、雙管板套管式管束、帶翅片的單元套管等幾種結(jié)構(gòu)類型。帶翅片的單元套管利用提升輸送風(fēng)，在密相狀態(tài)下強(qiáng)化傳熱，線速較低，催化劑磨損較小。取熱管外壁的翅片大大增加了傳熱面積，能達(dá)到光管面積的2.5～3.2倍，使設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時(shí)也增加了高溫催化劑顆粒與取熱管（翅片）的碰撞機(jī)會(huì)，在有氣泡存在的流化床內(nèi)，翅片又起到了破壞氣泡的作用，從而進(jìn)一步強(qiáng)化了傳熱。這種管束可提高整體傳熱效果。在熱負(fù)荷一定時(shí)，翅片管的壁溫低于光管的壁溫，在給定傳熱面積時(shí)，外取熱器殼體尺寸比光管的小得多，從而節(jié)省了投資[2]。

2 指定條件下外取熱器帶翅片管束的設(shè)計(jì)

管束工藝設(shè)計(jì)條件：

1）蒸發(fā)部分取熱管，外管直徑Φ325，內(nèi)管直徑Φ219，每根取熱管長(zhǎng)7 000 mm，每組翅片44根，翅片長(zhǎng)7 000 mm，高30 mm；

2）正常操作壓力4.22 MPa（G），正常操作溫度255 ℃；最高操作壓力4.7 MPa（G），最高操作溫度262 ℃。

3）進(jìn)水管：DN150，汽水混合物出口管：DN200。

2.1 材料選擇

一般取熱管選用碳素鋼管或Cr-Mo鋼管，既經(jīng)濟(jì)又合理。對(duì)于汽水介質(zhì)下的管子，壁溫均低于350 ℃，可選用20號(hào)或20G為內(nèi)外管材料。

本設(shè)計(jì)條件下由于內(nèi)管介質(zhì)為除氧水，壁溫低于350 ℃，材質(zhì)選用20G;外管內(nèi)側(cè)走汽水混合物，最高操作溫度為262 ℃，但是外側(cè)跟高溫催化劑接觸，故外管材質(zhì)選用15CrMo。套管和外管上部均選用20G。取熱管材料選擇如圖1所示。

圖1 取熱管材料選擇

2.2 取熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足工藝煙氣返回口高度要求，實(shí)際取熱管長(zhǎng)度達(dá)到13 m，有效換熱長(zhǎng)度（即翅片長(zhǎng)度為7 m）?？s小，內(nèi)、外管結(jié)構(gòu)均采用過(guò)渡段連接的縮徑結(jié)構(gòu)；

本次設(shè)計(jì)鋼管規(guī)格如圖2所示：

圖2 取熱管結(jié)構(gòu)

為了防止高溫催化劑對(duì)管束外表面的直接沖刷，在催化劑入口處管束上增加耐磨防護(hù)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)外取熱器管束抗沖刷耐磨損的能力。

2.3 管束的內(nèi)管底端與外套管底部?jī)?nèi)側(cè)距離

內(nèi)管底端距外套管封頭內(nèi)側(cè)距離h直接影響外取熱器的安全運(yùn)行。若間隙過(guò)小，水循環(huán)阻力大，套管底部易積垢，嚴(yán)重時(shí)將堵塞循環(huán)通道。若間隙過(guò)大，將易出現(xiàn)流量脈動(dòng)，并引起溫度脈動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將使管壁產(chǎn)生熱疲勞，從而影響管子的使用壽命。推薦=1.5（為內(nèi)管直徑）。

2.4 翅片設(shè)計(jì)

由于翅片跟高溫催化劑接觸，環(huán)境溫度很高，與外管相焊，材料選用15CrMoR。為了減少翅片與外管的焊接應(yīng)力，在翅片上開設(shè)膨脹縫。

2.5 管束導(dǎo)向架和定位塊設(shè)計(jì)

垂直翅片管束內(nèi)外套管結(jié)構(gòu)，因每組管束高達(dá)10 m，只有上部一端固定，為使各取熱管熱負(fù)荷趨于一致和減少管束的振動(dòng)，應(yīng)在管束底部增加導(dǎo)向架。材料均可選用S30408不銹鋼。

為保證在套管的全部長(zhǎng)度上內(nèi)外管同心，在內(nèi)管的外壁上應(yīng)隔1 500 mm左右的間距焊上定位塊。定位塊與內(nèi)管相焊，環(huán)境溫度均低于350 ℃，材料選用碳鋼即可。

2.6 管束與頂封頭連接部位套管設(shè)計(jì)

垂直翅片管束內(nèi)外套管結(jié)構(gòu)每根管束重約2.5噸，只有上部與頂封頭固定，采用套管焊接在封頭的結(jié)構(gòu)，這樣做既可以增加封頭強(qiáng)度，又可以保證管束在高溫下自由的伸縮，避免管束焊縫被拉裂。套管規(guī)格為Φ325×14。

3 強(qiáng)度校核

3.1 取熱管φ325X14校核

表1 取熱管φ325X14設(shè)計(jì)條件

內(nèi)壓計(jì)算

計(jì)算厚度按GB150 式(3 - 2)計(jì)算

=o/(2[]+)

= 5×325／(2×111.6×1+5) = 7.121

有效厚度δ=δ- C2- C1 = 14-2-1.75 = 10.25

最大允許工作壓力按GB150.3 式(3-7)計(jì)算

[p] = 2[]tφδ/(o-δ)

= 2×111.6×1×10.25/(325-10.25) = 7.268 63

壓力試驗(yàn)時(shí)，圓筒應(yīng)力校核

壓力試驗(yàn)類型 液壓試驗(yàn)（臥式）

試驗(yàn)壓力8.79256 MPa

有效厚度δ=δ-C2-C1=14-2-1.75 = 10.25mm

試驗(yàn)壓力下，圓筒的應(yīng)力

= (×9.81×10-9)(D+δ)/(2δ)

=(8.79256×1000×9.81×10-9)×(297+10.25)/(2×10.25)=135 MPa

液壓試驗(yàn)時(shí)，圓筒的應(yīng)力= 135≤0.9= 0.9×1×235= 211.5校核通過(guò) !

3.2 取熱管φ273X14強(qiáng)度校核

內(nèi)壓計(jì)算

計(jì)算厚度按GB150.3 式(3 - 1)計(jì)算

=o/(2[]-)

= 5×245／(2×111.6×1-5) = 5.614 mm

有效厚度δ=δ- C2- C1 = 14-2-1.75 = 10.25最大允許工作壓力按GB150.3 式(3-7)計(jì)算

[p] = 2[]tφδ/(D+δ)

= 2×111.6×1×10.25/(245+10.25) = 8.96398 MPa

表2 取熱管φ273X14設(shè)計(jì)條件

壓力試驗(yàn)時(shí)，圓筒應(yīng)力校核

壓力試驗(yàn)類型 液壓試驗(yàn)（臥式）

試驗(yàn)壓力7.24826 MPa

有效厚度δ=δ-C2-C1 = 14-2-1.75 = 10.25 mm

試驗(yàn)壓力下，圓筒的應(yīng)力

= (×9.81×10-9)(D+δ)/(2δ)

=(7.24826×1000×9.81×10-9)×(245+10.25)/(2×10.25)

=90.25 MPa

液壓試驗(yàn)時(shí)，圓筒的應(yīng)力= 90.25≤0.9= 0.9×1×245= 220.5校核通過(guò) !

4 管束的制造檢驗(yàn)及安裝要求

（1）所有A、B類焊接接頭均應(yīng)采用GB/T985.1或GB/T986.2中雙面坡口全熔透對(duì)接接頭型式，對(duì)無(wú)法進(jìn)行雙面焊的對(duì)接接頭，應(yīng)采用氬弧焊打底的單面坡口全熔透結(jié)構(gòu)。

（2）所有與Cr-Mo鋼之間的焊接均應(yīng)焊前預(yù)熱焊后熱處理，所有翅片管均應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。

（3）翅片與取熱管焊接時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┛刂迫峁艿淖冃危▏?yán)禁采用通水降溫的工藝手段），保證翅片間的距離誤差不大于1 mm，取熱管全長(zhǎng)的直線度偏差應(yīng)不大于5 mm，并不得發(fā)生熔穿取熱管的現(xiàn)象。

（5）在任何情況下，Cr-Mo鋼元件之間或Cr-Mo鋼與碳鋼之間的受壓焊接接頭均不得采用奧氏體型焊接材料。

（6）不允許采用強(qiáng)力組裝，以免產(chǎn)生過(guò)大的安裝應(yīng)力。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）本外取熱器管束采取了下流式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用帶翅片的單元套管形式，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是增加了傳熱面積，使設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊；同時(shí)翅片又起到了破壞氣泡的作用，進(jìn)一步強(qiáng)化了傳熱。

2）取熱管內(nèi)管兩側(cè)介質(zhì)為汽水混合物，溫度較低，選用20號(hào)或20G；取熱管外管下部與高溫催化劑接觸傳熱部位溫度較高，選用15CrMo。

3）催化劑入口處的取熱管上增設(shè)耐磨防護(hù)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)外取熱器管束抗沖刷耐磨損的能力；管束底部設(shè)置導(dǎo)向架，減少管束的變形和振動(dòng)。

4）管束與頂封頭連接部位采用套管結(jié)構(gòu)，避免取熱管直接與封頭相焊，既可增加封頭強(qiáng)度，又可保證管束在高溫下自由的伸縮。

5）取熱管下部規(guī)格為φ325×14，上部規(guī)格為 φ273×14完全滿足強(qiáng)度計(jì)算要求。

[1] 譚遠(yuǎn)鵬．催化裂化裝置外取熱器自然循環(huán)水動(dòng)力特性計(jì)算與分析[D] ．中國(guó)石油大學(xué)（華東），2007.

[2] 韓江聯(lián). 淺論外取熱器[J]. 催化裂化, 1998,17（6）: 24-30.

[3] 張勤.淺談外取熱器的使用與管理[J]. 煉油技術(shù)與工程, 2004, 34（11）:16-18。

[4] 劉硯.100Mt/a催化裂化裝置外取熱器計(jì)算及設(shè)計(jì)[J]. 化工裝備技術(shù), 2012,33（2）:43-44.

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[7] 陸繼峰，楊惠谷. 催化裝置外取熱器蒸發(fā)管斷裂原因及其處理措施 [J]. 化工裝備技術(shù), 2005, 26（3）: 50-5337-40．

Structure Design and Calculation of External Cooler in Catalytic Cracking Unit

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（CPECC East-China Design Branch, Shandong Qingdao 266071, China）

External cooler is main equipment for keeping thermal balance of reactor and regenerator in catalytic cracking unit. In this article, characteristics of downward external cooler finned tubes were introduced, and material selection, structure design, strength calculation, manufacture and test of the external cooler were described.

external cooler; material selection; calculation ;structure design

2017-02-04

呂連杰（1983-），男，工程師，山東省青島市人，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。

TQ 052

A

1004-0935（2017）03-0229-03