甲醇合成塔的失效分析

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(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

甲醇合成塔是甲醇合成裝置的核心設(shè)備，由于甲醇合成的工藝特點(diǎn)要求，該設(shè)備承受較高的溫度和壓力，其性能將直接影響甲醇合成過(guò)程的效率、能耗及裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。管殼式甲醇合成塔作為經(jīng)典結(jié)構(gòu)之一，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用頗多[1-3]。合成氣通過(guò)換熱管內(nèi)的催化劑進(jìn)行合成反應(yīng)，反應(yīng)熱通過(guò)換熱管傳遞給管外的鍋爐給水，以此保證換熱管內(nèi)催化劑溫度的穩(wěn)定。而管板作為該設(shè)備的核心部件，同時(shí)連接著管程筒體、殼程筒體和換熱管，使整個(gè)設(shè)備形成具體兩個(gè)獨(dú)立腔體的復(fù)雜熱交換系統(tǒng)，因此，其重要程度不言而喻。本文通過(guò)分析在役甲醇合成塔殼程筒體開(kāi)裂的原因，對(duì)該結(jié)構(gòu)甲醇合成塔殼程的結(jié)構(gòu)和選材提出了優(yōu)化，并采用有限元軟件ANSYS對(duì)超出GB/T 151—2014適用范圍以外的大直徑(DN4 200mm)甲醇合成塔管板進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和評(píng)定，為同類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

甲醇合成塔的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 甲醇合成塔的主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材

該甲醇合成塔結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，為典型的水冷型Lurgi管殼式甲醇合成反應(yīng)器。管程填裝銅基催化劑，反應(yīng)管內(nèi)甲醇合成的反應(yīng)熱傳給管外的沸騰水，沸騰水上升進(jìn)入汽包后，在汽包上部形成與沸騰水溫度相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽，此時(shí)蒸汽壓力即為汽包所控制的蒸汽壓力，因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)汽包壓力來(lái)調(diào)節(jié)催化劑床層溫度。此結(jié)構(gòu)的合成塔具有催化劑床層溫差小、操作平穩(wěn)、轉(zhuǎn)化率高、能副產(chǎn)中壓蒸汽等優(yōu)點(diǎn)[3]。

圖1 甲醇合成塔結(jié)構(gòu)示意

本文合成塔的直徑為φ4 200mm，已超出了GB/T 151—2014標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的管殼式熱交換器適用范圍(DN≤4 000mm)。其主要受壓元件的選材如下：管程設(shè)計(jì)溫度為280℃，氫分壓為5.5MPa(a)，根據(jù)G.A.Nelson曲線，管箱殼體和封頭選用中溫抗氫鋼14Cr1MoR；殼程的設(shè)計(jì)溫度為270℃，殼程筒體選用低合金鋼Q345R；換熱管如果采用碳鋼，在催化劑存在的情況下會(huì)產(chǎn)生羰基鐵和石蠟，如果采用不銹鋼，則會(huì)因其與殼程筒體線膨脹系數(shù)相差太大而使換熱管中產(chǎn)生巨大的軸向壓應(yīng)力。因此，換熱管選用鐵素體-奧氏體型雙相不銹鋼S31803，管板采用14Cr1Mo鍛件堆焊Inconel625。

值得一提的是，根據(jù)多篇文獻(xiàn)報(bào)道[4-6]：殼程筒體采用13MnNiMoR的甲醇合成塔在運(yùn)行3～10年左右，其殼程筒體與下端管板(無(wú)拉桿孔的一端)之間的環(huán)焊縫發(fā)生泄漏。筆者分析原因如下。

(1)殼程筒體與下端管板之間的環(huán)焊縫采用局部熱處理時(shí)，由于管板及換熱管“偷走”大量熱量，使得該熱處理區(qū)域熱處理溫度不均勻，存在很大的溫差梯度，因此無(wú)法有效地消除和降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而改善焊接接頭及熱影響區(qū)的塑性和韌性。

(2)下端管板與殼體筒體之間的環(huán)焊縫作為合攏焊縫，由于結(jié)構(gòu)的限制，只能從設(shè)備外側(cè)進(jìn)行單面焊接，無(wú)法進(jìn)行內(nèi)部清根后再施焊，也無(wú)法實(shí)施射線檢測(cè)，焊接質(zhì)量難以保證。

(3)管板與殼程筒體焊接接頭處為高邊緣應(yīng)力區(qū)與焊縫區(qū)重疊，實(shí)際運(yùn)行時(shí)還存在較大的溫差應(yīng)力。

(4)13MnNiMoR具有較高的碳當(dāng)量，焊接制造控制要求相對(duì)較高。若焊縫中存在未充分逸出的擴(kuò)散氫、焊縫熱影響區(qū)具有一定的淬硬性傾向、存在較大的焊接應(yīng)力或拘束度，則極易產(chǎn)生裂紋。

根據(jù)以上分析，本文的甲醇合成塔設(shè)計(jì)采用以下措施：①殼程筒體選用焊接性能更為優(yōu)越的低合金鋼Q345R；②殼程筒體上設(shè)置了工藝人孔，將殼程合攏焊縫設(shè)置在工藝人孔附近的筒體上，可以進(jìn)行雙面焊接且便于射線檢測(cè)的實(shí)施，從根本上保證了焊接制造的質(zhì)量。

3 有限元分析

由于該合成塔直徑已超出了GB/T 151—2014標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的管殼式熱交換器適用范圍。為了確保設(shè)備的本質(zhì)安全性和運(yùn)行的可靠性，筆者采用仿真分析軟件ANSYS Workbench 14.5，對(duì)設(shè)備的管束、管板及與其連接的殼體進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱分析與結(jié)構(gòu)分析間接耦合的線彈性應(yīng)力分析。限于篇幅原因，本文僅闡述了基于管殼程壓力同時(shí)作用、計(jì)溫差和不計(jì)溫差的分析計(jì)算工況。

3.1 材料屬性定義

表2為甲醇合成塔主要部件材料屬性。另外，保溫層為140mm厚的玻璃棉，其導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.044W/(m·K)，保溫層外表面對(duì)流傳熱系數(shù)Hb為1.5×10-5W/(mm2·K)。

表2 甲醇合成塔主要部件材料屬性

3.2 計(jì)算模型建立

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及操作特性，周向結(jié)構(gòu)以圓周角60°為周期循環(huán)對(duì)稱，溫度近似軸對(duì)稱分布；軸向結(jié)構(gòu)以換熱管中間截面對(duì)稱，溫度沿殼程筒體和換熱管長(zhǎng)度近似均勻分布，上下管板溫度近似相同。

根據(jù)以上分析，軸向長(zhǎng)度取上管箱至換熱管中間位置，圓周方向取60°建立1/6的3D模型，建模時(shí)不考慮堆焊層厚度，管板有效厚度為177mm。

3.3 邊界條件

本設(shè)備管程介質(zhì)工作溫度為225～260℃，殼程介質(zhì)工作溫度為244℃，管箱內(nèi)壁溫度取值稍低于管程介質(zhì)溫度，殼程筒體內(nèi)壁溫度取值稍低于殼程介質(zhì)溫度。管程介質(zhì)在管箱絕熱段和換熱管內(nèi)催化劑的作用下發(fā)生劇烈放熱反應(yīng)，殼程介質(zhì)鍋爐給水在換熱管外表面發(fā)生相變后汽化為蒸汽，因此，換熱管內(nèi)外表面和管板上表面溫度可近似等于介質(zhì)的工作溫度；而殼程筒體內(nèi)壁和管板下表面溫度取值稍低于殼程介質(zhì)溫度。

基于上述考慮，熱邊界條件如下：管箱殼體內(nèi)壁施加溫度220℃，管板上表面施加溫度255℃，換熱管內(nèi)壁施加溫度255℃；殼程筒體內(nèi)壁施加溫度242℃，換熱管外壁施加溫度244℃，管板下表面施加溫度245℃；設(shè)備保溫層外壁施加對(duì)流傳熱系數(shù)1.5×10-5W/(mm2·℃)，空氣溫度取20℃；其他對(duì)稱截面按默認(rèn)設(shè)定為絕熱表面。

力邊界條件如下：管箱內(nèi)壁、管板上表面及換熱管內(nèi)壁施加管程設(shè)計(jì)壓力6MPa；殼程筒體內(nèi)壁、管板下表面及換熱管外壁施加殼程設(shè)計(jì)壓力5.5MPa。當(dāng)考慮溫差時(shí)，則導(dǎo)入穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

位移邊界條件如下：在所有對(duì)稱截面處施加對(duì)稱約束。

3.4 單元選擇及網(wǎng)絡(luò)劃分

穩(wěn)態(tài)熱分析采用SOLID90三維實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，并設(shè)置各材料的導(dǎo)熱系數(shù)；結(jié)構(gòu)分析采用SOLID186/SOLID187三維實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，并設(shè)置各材料的彈性模量和線膨脹系數(shù)。本文所關(guān)注部位的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2，其為典型的六邊形網(wǎng)格，長(zhǎng)寬比小于20，且無(wú)畸形網(wǎng)格存在，確保了計(jì)算結(jié)果的合理性和可靠性。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

3.5 有限元分析結(jié)果及應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

從穩(wěn)態(tài)熱分析溫度場(chǎng)分布云圖(見(jiàn)圖3)可明顯看出，管板邊緣翻邊短節(jié)的T形轉(zhuǎn)角區(qū)域處存在較大的溫度梯度，印證了上文關(guān)于該區(qū)域在實(shí)際運(yùn)行時(shí)還存在較大溫差應(yīng)力的描述，其余區(qū)域的溫度梯度趨于平緩。

圖3 穩(wěn)態(tài)熱分析溫度場(chǎng)分布云圖

此外，還分別計(jì)算了管板和殼體整體應(yīng)力強(qiáng)度分布(見(jiàn)圖4)和換熱管軸向應(yīng)力分布(見(jiàn)圖5)。根據(jù)管板和殼體整體應(yīng)力強(qiáng)度云圖(見(jiàn)圖4)可見(jiàn)，應(yīng)力最大點(diǎn)位于管板邊緣翻邊短節(jié)的T形轉(zhuǎn)角區(qū)域，另外，徑向上最外側(cè)換熱管附近也存在較大應(yīng)力；由換熱管軸向應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖5)可知，軸向上6個(gè)不布管區(qū)域附近的換熱管中存在較大的軸向應(yīng)力。

圖4 管板和殼體整體應(yīng)力強(qiáng)度云圖(Ps+Pt+T)

圖5 換熱管軸向應(yīng)力云圖(Ps+Pt+T)

通過(guò)應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)，沿壁厚方向至另外一側(cè)最近點(diǎn)設(shè)定應(yīng)力線性化路徑，選取了8條分析路徑(見(jiàn)圖6(b))。依據(jù)JB4732—1995附錄I對(duì)管板本體、管板與筒體連接處進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定；依據(jù)JB4732—1995第5章的一般準(zhǔn)則對(duì)管板邊緣翻邊短節(jié)處進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，應(yīng)力強(qiáng)度取GB/T 150.2—2011中相應(yīng)材料的許用應(yīng)力值。具體判據(jù)為：一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ(PL)、一次薄膜(總體或局部)加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ(PL+Pb)是基于極限載荷分析法，限制其應(yīng)力變化范圍不大于1.5倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ(PL+Pb+Q)是基于安定性原理，限制其應(yīng)力變化范圍不大于3倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；殼體上徑向應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3，管板軸向路徑應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表4，換熱管軸向應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表5，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)論均為合格。

圖6 八條分析路徑

表3 殼體上徑向路徑應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

表4 管板軸向路徑應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

表5 換熱管軸向應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1)鑒于管板與殼程筒體焊接接頭處為高邊緣應(yīng)力區(qū)與焊縫區(qū)重疊，實(shí)際運(yùn)行時(shí)還存在較大的溫差應(yīng)力，因此，殼程的最終合攏環(huán)焊縫應(yīng)避免設(shè)置在此位置。

(2)在殼程筒體上設(shè)置工藝人孔，將殼程合攏焊縫設(shè)置在工藝人孔附近，可以進(jìn)行雙面焊接且便于射線檢測(cè)的實(shí)施，從根本上保證了焊接制造質(zhì)量。

(3)對(duì)設(shè)備的管束、管板及與其連接的殼體進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱分析、結(jié)構(gòu)分析與間接耦合的線彈性應(yīng)力分析，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)論為合格，可認(rèn)為該高參數(shù)甲醇合成塔的設(shè)計(jì)結(jié)果滿足安全要求。