臥管箱式爐轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)研究

謝 龍

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061）

目前煉油化工裝置的管式加熱爐熱負(fù)荷較大，同時(shí)要求加熱爐有比較寬的操作彈性范圍，適合不同原料的加工處理能力。 臥管箱式爐可以在較寬的流速范圍內(nèi)保持較好的流型，尤其適用于高壓加氫加熱爐[1]，因此大多新建煉油化工裝置加熱爐設(shè)計(jì)為臥管箱式加熱爐。 本文主要對(duì)輻射段爐管為上進(jìn)下出且管架為下支撐式的臥管箱式爐轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行探討， 同時(shí)利用柔性分析設(shè)計(jì)軟件Caesar II 對(duì)加熱爐爐管轉(zhuǎn)油線應(yīng)力位移進(jìn)行校核計(jì)算，進(jìn)一步結(jié)合工廠的安裝運(yùn)行情況對(duì)轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行探討。

1 轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)技術(shù)研究

1.1 理論計(jì)算依據(jù)

臥管箱式爐轉(zhuǎn)油線膨脹量計(jì)算包括三部分：輻射管架膨脹量ΔL1、 輻射排管膨脹量ΔL2 和轉(zhuǎn)油線自身的膨脹量ΔL3。 各部分的膨脹量均可按下式計(jì)算：

ΔL=L·α·Δt

式中：ΔL—爐管伸長(zhǎng)量，mm

L—計(jì)算管長(zhǎng)，m

α—爐管的線膨脹系數(shù)，mm/（m·℃）

Δt—爐管管壁溫差，℃

1.2 轉(zhuǎn)油線預(yù)拉伸量計(jì)算

由于輻射管架和輻射爐管的線膨脹系數(shù)不同，熱態(tài)時(shí)，管系和管架會(huì)存在一定的熱膨脹差，同時(shí)轉(zhuǎn)油線位置會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。 為確保加熱爐轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)合理可靠， 輻射轉(zhuǎn)對(duì)流轉(zhuǎn)油線預(yù)拉伸量的計(jì)算可以從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：

（1）當(dāng)從消除管架和管系膨脹量差值角度考慮時(shí)，轉(zhuǎn)油線的預(yù)拉伸量 ΔL=ΔL1-（ΔL2+ΔL3）。

（2）當(dāng)從消除轉(zhuǎn)油線應(yīng)力角度考慮時(shí)，轉(zhuǎn)油線的預(yù)拉伸量 ΔL=ΔL1（或 ΔL2）+ΔL3，取 ΔL1、ΔL2 中的較大值。

設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)加熱爐的具體情況充分考慮，既要盡量消除轉(zhuǎn)油線管系的應(yīng)力， 又要補(bǔ)償管系和管架的熱膨脹差。另外，靠近輻射爐管入口的管架最上一層比爐管低10 mm，利用三角函數(shù)關(guān)系，可計(jì)算入口套管處的差值， 在最終確定轉(zhuǎn)油線預(yù)拉伸量時(shí)需要考慮此處的差值。

1.3 輻射段出入口封板設(shè)計(jì)

由上文討論可知， 輻射段出入口爐管熱態(tài)時(shí)向上平移， 為了讓輻射爐管出入口位置熱態(tài)時(shí)能自由平移，將輻射段出入口設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓孔，如圖1 所示。圖1 中封板兩端的螺栓孔也設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓孔， 長(zhǎng)圓孔的長(zhǎng)度根據(jù)爐管的平移位置計(jì)算確定， 并考慮一定的裕量。 冷態(tài)時(shí)爐管的安裝位置也需要設(shè)計(jì)人員明確，避免現(xiàn)場(chǎng)安裝施工時(shí)出錯(cuò)。

圖1 輻射爐管出入口封板示意圖

2 轉(zhuǎn)油線應(yīng)力位移校核

為了使設(shè)計(jì)計(jì)算的轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)在熱態(tài)工況時(shí)應(yīng)力和位移在允許的范圍內(nèi)， 可以借助柔性分析設(shè)計(jì)軟件Caesar II 對(duì)加熱爐爐管轉(zhuǎn)油線應(yīng)力位移進(jìn)行校核計(jì)算，建立轉(zhuǎn)油線計(jì)算模型如圖2 所示。建模時(shí)盡可能按照實(shí)際比例建立，然后進(jìn)行加載求解。

圖2 轉(zhuǎn)油線計(jì)算模型示意圖

Caesar II 計(jì)算的加熱爐管系的靜力計(jì)算結(jié)果一般包括：管道應(yīng)力，管道上各約束受力及管道各點(diǎn)位移。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果主要用于對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力校核。對(duì)于石油煉制廠管道一般采用ANSI/ASME B31.3[2]，應(yīng)力校核一般包括一次應(yīng)力校核和二次應(yīng)力校核，管道承受內(nèi)壓和持續(xù)載荷而產(chǎn)生的應(yīng)力， 屬于一次應(yīng)力。 管道由熱脹、 冷縮和其它位移約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力。

一次應(yīng)力在SUS 工況下校核，得到的各相應(yīng)力計(jì)算值及所在節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)表1。 由表可知該工況下的許用應(yīng)力為129 759.3 kPa，規(guī)范應(yīng)力為31 169.6 kPa，規(guī)范應(yīng)力比為24.0%，規(guī)范應(yīng)力校核通過(guò)。

表1 一次應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

二次應(yīng)力在EXP 工況下校核， 得到的各相應(yīng)力計(jì)算值及所在節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)表2。由表可知該工況下的許用應(yīng)力為 325 766.5 kPa， 規(guī)范應(yīng)力為 36 042.8 kPa，規(guī)范應(yīng)力比為11.1%，規(guī)范應(yīng)力校核通過(guò)。

表2 二次應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

轉(zhuǎn)油線管系位移在DX、DY 及DZ 方向的最大位移分別為-49.702 mm、27.779 mm 及 28.779 mm，需要設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)及走向， 補(bǔ)償各個(gè)方向的位移量。

3 轉(zhuǎn)油線管系安裝問(wèn)題

加熱爐設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算， 確保符合設(shè)計(jì)規(guī)范。 然而現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，盡管大多數(shù)情況下安裝會(huì)符合要求，如圖3（a）所示，1 號(hào)標(biāo)線表示爐子熱態(tài)時(shí)螺栓所在位置，2 號(hào)標(biāo)線表示爐子冷態(tài)時(shí)螺栓所在位置， 整個(gè)過(guò)程中自由移動(dòng)，但難免會(huì)出現(xiàn)安裝誤差，出現(xiàn)如圖3（b）所示情形，螺栓在熱態(tài)移動(dòng)位置后，冷態(tài)時(shí)無(wú)法復(fù)位，螺栓被拉斜卡住位置， 導(dǎo)致管系應(yīng)力無(wú)法完全釋放的現(xiàn)象。這就對(duì)設(shè)計(jì)提出新的要求，設(shè)計(jì)中要充分考慮安裝問(wèn)題，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)做出明確要求。

圖3 輻射爐管出口安裝現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于臥管箱式爐轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)油線管系結(jié)構(gòu)精確計(jì)算熱膨脹量， 使熱膨脹量在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)， 并運(yùn)用管道柔性分析設(shè)計(jì)軟件對(duì)轉(zhuǎn)油線管系結(jié)構(gòu)校核驗(yàn)證， 同時(shí)在工廠生產(chǎn)安裝階段減少誤差。良好的設(shè)計(jì)、安裝是加熱爐轉(zhuǎn)油線管系安全平穩(wěn)運(yùn)行，避免爐管事故的前提。