制氫裝置轉(zhuǎn)化爐受力分析與改進(jìn)

鄭書(shū)娟

摘要：根據(jù)遼河油田油氣工程技術(shù)處化工一公司制氫裝置轉(zhuǎn)化爐實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題，分析管系在熱狀態(tài)下的受力情況，從而提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)化爐;出口管系;裂紋

1轉(zhuǎn)化爐管系存在問(wèn)題及受力分析

1.1轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)化爐輻射段為方箱型頂燒爐，爐膛內(nèi)爐管為豎琴式管排結(jié)構(gòu)，爐管上部通過(guò)豬尾管與上集氣總管連通，下部通過(guò)錐形頭與下集氣管連接。下集氣管通過(guò)焊接三通方式與轉(zhuǎn)化爐下集氣總管連接，并以焊接三通為支點(diǎn)形成懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂下設(shè)有方型限位盒，兩端各套了一個(gè)“0”型限位結(jié)構(gòu)，方型限位盒限制下集氣管徑向水平位移，“0”型限位結(jié)構(gòu)限制下集氣管徑向位移。

轉(zhuǎn)化爐頂部的恒力彈簧吊架與轉(zhuǎn)化爐框架連接，每個(gè)彈簧吊架吊起兩根爐管，吊架額定拉力為兩根爐管及內(nèi)部催化劑和相對(duì)應(yīng)的下集氣管重量之和。按照設(shè)計(jì)理想狀態(tài)，下集氣管與限位支腿之間沒(méi)有作用力。熱態(tài)情況下，下集氣管向兩側(cè)膨脹，爐管向上膨脹。

1.2存在的問(wèn)題及相關(guān)部位受力分析

1.2.1下集氣管焊接三通焊縫弧頂及“O”型限位結(jié)構(gòu)與爐底連接處開(kāi)裂受力分析

下集氣管長(zhǎng)10米，爐管長(zhǎng)12米。熱狀態(tài)下，下集氣管向兩側(cè)產(chǎn)生膨脹位移，與之相連接的爐管下部同步產(chǎn)生位移。每根爐管受到向上的拉力將作用在下集氣管上，在此拉力作用下，下集氣管兩側(cè)向上發(fā)生位移，而“O”型限位結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相反方向的作用力，造成“O”型限位結(jié)構(gòu)與支腿的焊縫開(kāi)裂。爐管受到向上的拉力可以分解為向上和水平向內(nèi)的兩個(gè)分力，由于兩側(cè)水平向內(nèi)的分力相互抵消，而下集氣管受到垂直向上的分力與三通焊縫的肩部、弧頂部形成杠桿。根據(jù)杠桿原理，以O(shè)為支點(diǎn)，F(xiàn)ILOA=F2LOB，由于力臂LOA遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LOB，所以，作用在焊縫B點(diǎn)處F2向下壓力很大，極可能造成B處出現(xiàn)裂紋。同理若以B為支點(diǎn)，極可能造成0處出現(xiàn)裂紋，從現(xiàn)場(chǎng)三通處的焊縫開(kāi)裂位置觀察也驗(yàn)證了此現(xiàn)象。

1.2.2限位支腿沿下集氣管軸向發(fā)生位移

在出現(xiàn)下集氣管氣體泄漏問(wèn)題后，進(jìn)行停車檢查，發(fā)現(xiàn)限位盒內(nèi)限位支腿沿著下集氣管軸向發(fā)生了位移。說(shuō)明限位支腿受到了力的作用，而只有下集氣管與限位支腿發(fā)生接觸產(chǎn)生壓力。在壓力作用下，當(dāng)下集氣管發(fā)生位移時(shí)與支腿之間產(chǎn)生摩擦力，使支腿發(fā)生位移，產(chǎn)生破壞作用。

豬尾管能夠吸收轉(zhuǎn)化爐管的向上膨脹位移。每根豬尾管受到向上作用力，根據(jù)力的作用原理，同時(shí)存在向下反作用力，每根豬尾管受力情況相同。原設(shè)計(jì)豬尾管水平段長(zhǎng)度過(guò)短，柔性不足，剛性過(guò)強(qiáng)，向下釋放力過(guò)大，下集氣管與支腿間產(chǎn)生摩擦力，帶動(dòng)支腿上部沿下集氣管軸線方向產(chǎn)生位移。

根據(jù)以上分析，下集氣管受到爐管相當(dāng)于向上的拉力，并且隨著距離三通位置越遠(yuǎn)熱膨脹產(chǎn)生的位移越大，該拉力也越大。而豬尾管因每根爐管的膨脹量基本相同，向下反作用的壓力也相同。這樣下集氣管所受的拉力與壓力產(chǎn)生合力，這個(gè)合力在靠近三通位置向下釋放，在下集氣管沿著軸向膨脹時(shí)，產(chǎn)生摩擦力使支腿發(fā)生位移;而作用在兩端的合力向上釋放，使“0”型限位結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，并在與支腿焊接處產(chǎn)生裂紋。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，靠近三通位置的支腿移動(dòng)較大，而兩端“0”型限位結(jié)構(gòu)的支腿沒(méi)有位移，但是“0”型結(jié)構(gòu)變成了豎起的橢圓形，正好也驗(yàn)證上述分析。

2改進(jìn)措施

2.1焊接三通改為整體鍛造五通

將下集氣管焊接三通部分去掉改為incoloy800H整體鍛造五通件，整體鍛造可避免在薄弱位置處產(chǎn)生焊縫，使金屬能夠保持完整的金屬流線，并且將該五通件的壁厚增加了原來(lái)厚度的一倍，以此來(lái)增強(qiáng)三通的強(qiáng)度。

2.2調(diào)整限位結(jié)構(gòu)

將下集氣管兩端的“0”型限位結(jié)構(gòu)改成“U”型限位結(jié)構(gòu)，允許下集氣管有一定的向上位移，但是，限制水平方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生位移。

2.3增加豬尾管的水平臂長(zhǎng)度

根據(jù)杠桿作用原理可知，由于爐管向上的熱膨脹量是一定的，因此增加豬尾管水平管段的長(zhǎng)度，可以減小向下反作用力。

3結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐下集氣管三通開(kāi)裂，兩端的“0”型限位結(jié)構(gòu)連接處開(kāi)裂，限位支腿發(fā)生位移的問(wèn)題，對(duì)轉(zhuǎn)化爐熱狀態(tài)下管系進(jìn)行受力分析。提出采用整體鍛造五通件， “0”型限位結(jié)構(gòu)改為“U”型，增加豬尾管的水平臂長(zhǎng)度一系列措施，來(lái)提高轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行的安全性和可靠性，解決了生產(chǎn)中實(shí)際問(wèn)題。

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