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高温设备和管道的附属结构优化研究

更新时间:2009-03-28

随着石油化工技术的不断进步,部分工艺装置朝着大型化及高参数方向发展,越来越多的设备和管道在高温下操作,承受着高温所带来的各种问题。丙烷及异丁烷脱氢反应单元的烃进、出总管最高操作温度及设计温度649 ℃,进、出空气总管最高操作温度及设计温度705 ℃,丁二烯氧化脱氢反应器设计温度650 ℃,MTP反应器设计温度约530 ℃,MTO反应单元的设计温度520 ℃等都是在高温下运行的设备和管道。附属于高温设备和管道上的设施结构及其材料的合理性、可靠性对安全运行起到非常重要的作用。降低这类设备和管道金属壁温的最直接方法就是在其内壁设置隔热衬里,但出于经济合理性或可实施性等因素的考虑,许多情况下不能在内部设置隔热衬里。这类高温设备及管道长期工作于高温环境下,除了材料自身易于产生诸如蠕变、石墨化、氧化、热脆等多种问题外,对其附属设施结构合理性的研究也是非常的重要环节。本文仅就高温环境下,设备和管道的附属设施进行结构优化研究和探讨。

1 高温设备和管道的附属设施主要失效形式

1.1 热疲劳失效

热疲劳是指附属设施组件或元件上形成的温度梯度,产生较高的应力集中,周期性的温度变化引起周期性的应力变化,造成局部开裂导致失效。热疲劳裂纹始发于表面应力最大的区域,一般有若干疲劳裂纹源,由表面向壁厚深度方向发展。热棘轮效应是热疲劳的一种特殊形式,在热应力作用下,材料或结构可能产生逐次递增的塑性变形,经过一定的循环周次后,棘轮变形不断累积,造成破坏。焦炭塔壳体与裙座连接区域常见的破坏多为热疲劳破坏。

这种方法以高科技工艺为基础,利用特定的手法实现服装面料再造设计。综合设计方法结合了上述两种方法的优点,在服装面料再造设计的过程中,首先对于服装进行加减,使服装面料具备特殊的美感,以加减为基础,利用变形设计方法,使服装具备层次感,通过这些方法整体服装面料就会具备良好的设计效果。

导致热疲劳破坏的主要影响因素包括:周期性变化的温度梯度、应力及幅值、循环次数、材料特性及其热处理状态等。

1.2 蠕变和应力松弛失效

蠕变是指高温设备和管道在低于屈服应力的荷载作用下,金属材料随着时间推移缓慢地发生塑性变形,并致使构件实际承载截面收缩,承载能力不断下降,最后导致失效。应力松弛也是蠕变在某些特定结构中的表现形式,对于高温法兰连接的密封面,连接紧固件在长期高温及应力作用下弹性应变不断地转化为塑性应变,紧固件的应力水平逐渐下降,应力松弛,使得垫片密封面的压紧力逐渐降低,导致密封失效。

多委员会的混合共识能够实现交易的可扩展性,交易处理性能随节点数目增多、分区数增多而线性增长,交易规模进一步增大。Omneledger在每个分区人数为70,分区数为16时交易处理速度能够达到5 000交易/秒。多委员会的混合共识主要需要解决的问题是跨区交易处理问题、委员会重配置问题、抗偏置随机数生成问题等。

1.3 热冲击失效

设置热箱可有效降低局部结构的温度梯度。热箱是在结构组件上设置一个相对封闭的隔气箱,隔气箱内的空气处于相对封闭的状态,内外的空气不直接接触,借助于外保温层使隔气箱内外的空气热交换量非常少,箱内的空气被加热到接近于操作温度,这些被加热的空气加热与之接触的各组件,从而降低结构的局部温度梯度。并且,当设备操作温度变化时,热箱内的空气也可在一定范围内调节结构组件的温度变化幅度和速率。在局部结构上设置热箱,可以改善区域的温度分布,减小温度梯度,减缓温度变化速率,降低热应力。文献[1]强调对高温差结构进行应力场分析。

造成热冲击失效的起因多由于工艺操作特性需要急速升温或降温,或者因保温失效雨水喷淋到组件的局部带来水淬冷却致使温度骤变等原因造成。温度骤变在部件内造成的温度梯度越大,造成热冲击损伤的可能性越大。

1.4 结构高热应力造成结构开裂失效

直立容器壳体与裙座连接区域设置的隔气圈就是热箱应用实例。文献[2]对热箱在焦炭塔裙座高温区温度场的影响及降低热应力作用进行了分析,其研究结论也表明,热箱可明显降低局部结构的热应力。图1 所示为某项目中反应器裙座热箱结构温度分布图,分析显示热箱能够有效改善连接区域温度梯度。文献[3]规定设备设计温度高于或等于350 ℃时应设置热箱,热箱高度不得小于其中:R为裙座中半径,T为裙座厚度。国外某公司规定操作温度高于或等于370 ℃,或设备壁厚50 mm以上且操作温度260 ℃以上时,裙座应设置热箱。

2 附属结构优化原则

其他附属结构热箱设置,可以结合结构自身的特点确定热箱结构,使封闭的空气起到调节结构温度梯度的作用。文献[4]分析了热箱及相应区域温度场对焦炭塔裙座裂纹的影响进行了研究,也得出了类似结论。

3 结构优化措施及分析

3.1 热箱设置

金属材料受到剧烈的加热或冷却时,局部温度发生剧烈变化,构件或组件内部形成较大的温差,产生变形不协调形成高的热应力,甚至开裂损坏,导致热冲击失效。

由于结构内部温度分布不均匀,具有温度梯度,或者结构中采用了热膨胀系数不同的材料,引起的自平衡应力,或者结构自由热变形被外部约束限制时所引起的应力。这些应力与其他机械荷载产生的应力耦合形成较高的局部应力,超出结构允许的承载能力,造成开裂或塑性变形失效。在高温条件下,结构将产生更大的热膨胀变形,不合理的结构将导致产生较高的热应力,超过材料承载能力,产生裂纹而损坏部件。

  

图1 带有热箱的设备壳体与裙座连接区温度场分布Fig.1 Temperature distribution at the joint between the skirt and vessel shell with hotbox

类似于丙烷和异丁烷脱氢反应、丁二烯氧化脱氢反应等类似高温操作的系统,许多设备和管道在500 ℃以上的高温下操作,其附属设施也不可避免地承受着高温、高的温度梯度等严苛操作环境所带来上述各种失效的风险。由于工艺技术的需要,通常情况下,难以从工艺操作技术方面解决高温带来的困扰,高温设备和管道上尽可能减少附属于其上的设施,但却无法完全去除这些附属设施,这些附属设施也是实现工艺系统正常操作不可或缺的附属结构,例如:支座、支吊、接管、连接接头等,因此解决或降低因高温造成失效的风险就变得非常重要。上述各种因高温造成的失效可以归结为由于高的应力值,而导致结构失效。高温环境下,材料的许用应力值较低,需要通过优化高温结构来降低热应力和机械应力值的水平,使其降到可以接受的程度。为了实现降低热应力的目的,可以从几个方面采取措施:(1)降低温度梯度;(2)增加结构自身柔性,提高其变形协调能力;(3)避免热应力集中区域与机械应力集中区域重叠;(4)合理及良好的保温层设置。无论采用哪种优化措施,都需要通过有限元分析方法对优化的结构进行热-应力顺序耦合分析,先进行热温度场分析,然后进行应力分析。

3.2 合理冷物料进口结构

高温设备和管道不可避免需要直接焊接连接一些附属结构,这种情况下,除了采用低温度梯度结构外,可以考虑尽可能降低刚性件的局部刚度,使其易于满足临近件热膨胀的变形协调需要。合理降低刚性件的刚度,可以较大幅度降低高温区的热应力,利于将附属设施与设备或管道连接区域的应力降到可接受的水平。图4是采用这一方法降低管道附件热应力的实例。图中所示结构的盖板位于保温层外侧(未被保温包裹),筋板包裹在保温层中。在工程应用中,进行热-机械载荷耦合作用下的分析计算显示,当筋板不开设缺口时,管道与附件连接区域的组合应力非常高,难以降低到可接受的水平,当筋板位于临近盖板处开设如图所示的缺口时后,应力有较大幅度降低,满足了要求。

  

图2 冷物料进口结构示例Fig.2 A example of low temperature process flow inlet structure

3.3 浮动环支撑或支吊结构

支撑或支吊设施是设备和管道的必要附件,为了降低该类结构的热应力,浮动环结构是一个比较理想的选择。浮动环不与设备或管道直接焊接,通过挡块将设备或管道上荷载传递到浮动环上。挡块高度较低,并封闭在保温层内,挡块温度梯度较小,热应力较低。由于挡块仅承受和传递来自浮动环的轴向力,无力矩传递,也大大改善了高温挡块的受力状况。图3为浮动环支吊结构的示例。图中的结构在工程上应用,可以获得非常理想的温度场和较低的热应力。

  

图3 浮动环示例Fig.3 A example offloating ring

3.4 改善结构件的柔性,提高变形协调能力

由于工艺装置操作的需要,很多情况下高温设备和管道上需要设置冷物料进口,例如:丁烯氧化脱氢反应器设计温度650 ℃,反应器二段进料与一段反应物料间的温差高达数百度,如果不采取适当的结构形式,冷物流入口处将产生非常高的热应力,造成热冲击、结构高应力破裂、热疲劳等形式的失效破坏。图2为冷物流进口结构示例。为了解决类似高温差造成的高应力问题,需要从结构上采取措施。可以采取的措施包括:(1)减低或消除结构局部高应力区域的温度梯度;(2)管口温度梯度相对较高处采用尽可能高的结构柔性,提高其热膨胀变形协调能力,以达到进一步降低热应力的目的;(3)根据温度场计算的需要,可在冷热结构件间(例如:套管间)填充陶纤或类似隔热衬里材料,进一步降低结构的温度梯度;(4)通过调整结构件尺寸,消除或减少热应力集中区域与局部机械应力集中区域重叠,以此降低总应力,例如:在图2 结构中可以通过调整接管高度改变温差应力的主要影响范围。在某项目中使用了图2的冷物料进口结构,通过合理确定各部分结构尺寸,获得了理想的温度场分布和较低的局部应力水平。

  

图4 降低附件筋板刚度实例Fig.4 A example of reducing local rigidity of rib

3.5 法兰连接区域保温设置

高温法兰连接结构中的螺柱,在高温下将持续地产生塑性变形,造成连接接头泄漏。文献[5]和[6]也提出了类似建议。应力松弛与紧固件的温度和应力水平高低直接相关,避免或减缓紧固件持续塑性变形的直接方法有:(1)增大紧固件直径来降低其应力水平;(2)降低紧固件的工作温度,使其具有相对较高的许用应力指标,避免或大幅度降低应力松弛。前者将致使附件整体结构变大,带来一些不利因素,这一方法可以在适度的范围内小幅度调整优化。后者可以通过取消法兰连接处外保温的办法降低其金属温度,如图5所示。无保温法兰连接接头的温度场可以通过计算分析得到,工程应用中的计算分析表明,取消保温后,相对应工艺介质温度紧固件的金属温度有相当幅度的降低。对于操作温度高于425 ℃的法兰连接接头,可以取消法兰连接接头处的外保温,以此降低法兰及紧固件的金属温度,解决应力松弛失效。ASME B 31.3《Process Piping》也明确:当法兰连接接头无保温时,法兰金属温度可以按照工艺介质温度的90 %确定,紧固件可以按照工艺介质温度的80 %确定。这也可以看出取消法兰连接处的保温对降低其金属温度有非常大的帮助,特别是高温工况,帮助非常大。

别看我年纪小,但我已经是拥有多次演出经验的“老演员”啦!不过出演歌剧我还是第一次,所以我对整场演出的感觉就是三个词:新奇、兴奋和期待!

  

图5 法兰连接接头无外保温Fig.5 A flanged joint without thermal insulation

4 结论

高温设备和管道附属结构失效均与结构的高应力相关,而其中热应力占有非常高的比例,高的热应力在结构失效破坏中贡献度非常大,甚至是导致破坏的关键因素。对于高温结构,通过合理结构设计及优化,可以降低结构中的温度梯度和热应力。结构优化需要结合结构特点及应用环境进行分析确定,对优化的结构需要通过热-机械荷载耦合分析计算进行验证。采用下列结构优化措施可以达到降低应力的目的,解决造成结构各类失效破坏的因素。

材料特性、工作温度和应力水平是影响蠕变变形速率的主要因素。当温度进入材料的蠕变温度范围后,随着温度升高,其蠕变损伤的速率加速提高;随着应力水平提高,其蠕变变形的速率加速提高,应力断裂的时间缩短。

(1)设置热箱,降低相邻构件的温度梯度及热应力。

入库河道中丰富的生物物种,形成了一个复杂、动态平衡的生态系统。多样的生物物种和适宜的河道环境(水环境、地形条件、水文条件等)是河流系统可持续发展的基本要素条件。因此,入库河道生态建设需综合考虑生物的栖息条件,为生物生长、发育、捕食、繁殖等创造适宜条件,保护和恢复入库河道生态系统的完整性和多样性,从而维持河道的可持续发展需要。

(2)冷、热物流交汇处的结构,例如:高温区冷物料进口结构,可以采用低温度梯度结构,避免使高的热应力集中区域与高的机械应力集中区重合,解决高应力问题。

(3)能够采用浮动环的附件,应采用浮动环结构,消除或大幅度降低附件与设备或管道间的热应力,同时也可降低机械载荷造成的应力。

1.“以人为本有着中华文明的深厚根基”[5]。“夫霸王之所始也,以人为本。本理则国固,本乱则国危。”[6]8我国两千五百多年前政治家管仲的思想发人深省,在封建家国一体的社会尚且强调“人本”的重要性,何况现代作为“自由人的联合体”[7]的契约社会,其启示意义和重要性更是不言而喻。

(4)通过调整部分构件的刚性或其中部分零件的刚度,改善其适应热膨胀变形的协调能力,降低热应力。

21世纪需要心理、生理和人格都健全的人才,通过社会实践活动,为学生个性的充分发展创造空间,帮助学生体验生活、感受生活,增进学生对自我、社会和自然之间内在联系的整体认识与体验,谋求自我、社会与自然的和谐发展,促进学生健康发展,塑造学生健康心灵。

(5)取消法兰连接结构处的外保温,降低连接结构的金属温度,解决或降低因蠕变和应力松弛失效致使密封结构失效的风险。

参考文献

[1]仇恩沧. 神华煤直接液化反应器的制造[J]. 压力容器,2007,24(10):27-31,5.

[2]吴娜,李国成,黄怡. 热箱对焦炭塔裙座部位温度场的影响分析[J]. 化工装备技术,2009,30(2):47-50.

[3]SH / T 3098—2011,石油化工塔器设计规范[S].

[4]赵睿. 大型焦炭塔裙座裂纹探析及优化改进[J]. 石油化工设备技术,2011,32(6):8-11.

[5]刘川. 化工设备设计中对高温结构的思考[J]. 科技与创新,2016( 15):67.

[6]陶颖. 化工设备设计中对高温法兰密封结构的思考[J]. 化工管理,2015( 30):196.

 
吴云龙
《化工设备与管道》 2018年第01期
《化工设备与管道》2018年第01期文献
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