催化裂化外取热器管束结构设计及计算

吕连杰，王 斌



催化裂化外取热器管束结构设计及计算

吕连杰，王 斌

（中国石油工程建设有限公司华东设计分公司，山东 青岛 266071）

外取热器是催化裂化装置中保持反应器、再生器热平衡的主要设备。详细介绍了下流式外取热器翅片式管束的特点，并从选材、结构设计、强度计算和制造检验几方面对其分析。

外取热器; 选材; 计算; 结构设计

外取热器是一种由水作介质并流经管内（或壳内），吸收高温催化剂热量，发生蒸汽，完成热量转移，维持装置热平衡的设施[1-4]。

随着催化裂化装置加工原料的重质化和掺渣比的不断提高，装置反应生焦量和过剩热相增大，过剩的热量必须转移出去，否则将会引起催化剂水热失活。水热失活将对催化剂产生破坏作用。转移热量的办法就是对催化剂进行冷却，即取热。因此外取热器在重油催化裂化装置中的作用异常重要[1]。

外取热器技术在催化裂化装置中已经得到广泛的应用，但由于外取热器是从高温催化剂中取热，工作条件十分恶劣，并且催化裂化装置外取热器换热管的结构复杂，连接形式变化多样，而且热负荷分布不均匀，实际应用中许多厂家都发生过外取热器管束焊缝拉裂、磨损及腐蚀穿孔等问题。这些问题不但使外取热器的使用寿命大为缩短，而且反应再生系统内的多余热量不能及时取出而严重影响生产[5-7]。

1 外取热器的结构

外取热器实际上是一种立置管壳式蒸汽发生器。它主要有三部分组成：封头和筒体组成的壳体、取热管束和催化剂循环管道。

目前外取热器均采用管程走汽水混合物的类型。管束有蛇管式管束、垂直列管上下联箱式管束、双管板套管式管束、带翅片的单元套管等几种结构类型。带翅片的单元套管利用提升输送风，在密相状态下强化传热，线速较低，催化剂磨损较小。取热管外壁的翅片大大增加了传热面积，能达到光管面积的2.5～3.2倍，使设备结构更加紧凑。同时也增加了高温催化剂颗粒与取热管（翅片）的碰撞机会，在有气泡存在的流化床内，翅片又起到了破坏气泡的作用，从而进一步强化了传热。这种管束可提高整体传热效果。在热负荷一定时，翅片管的壁温低于光管的壁温，在给定传热面积时，外取热器壳体尺寸比光管的小得多，从而节省了投资[2]。

2 指定条件下外取热器带翅片管束的设计

管束工艺设计条件：

1）蒸发部分取热管，外管直径Φ325，内管直径Φ219，每根取热管长7 000 mm，每组翅片44根，翅片长7 000 mm，高30 mm；

2）正常操作压力4.22 MPa（G），正常操作温度255 ℃；最高操作压力4.7 MPa（G），最高操作温度262 ℃。

3）进水管：DN150，汽水混合物出口管：DN200。

2.1 材料选择

一般取热管选用碳素钢管或Cr-Mo钢管，既经济又合理。对于汽水介质下的管子，壁温均低于350 ℃，可选用20号或20G为内外管材料。

本设计条件下由于内管介质为除氧水，壁温低于350 ℃，材质选用20G;外管内侧走汽水混合物，最高操作温度为262 ℃，但是外侧跟高温催化剂接触，故外管材质选用15CrMo。套管和外管上部均选用20G。取热管材料选择如图1所示。

图1 取热管材料选择

2.2 取热管结构设计

为了满足工艺烟气返回口高度要求，实际取热管长度达到13 m，有效换热长度（即翅片长度为7 m）。缩小，内、外管结构均采用过渡段连接的缩径结构；

本次设计钢管规格如图2所示：

图2 取热管结构

为了防止高温催化剂对管束外表面的直接冲刷，在催化剂入口处管束上增加耐磨防护结构，增强外取热器管束抗冲刷耐磨损的能力。

2.3 管束的内管底端与外套管底部内侧距离

内管底端距外套管封头内侧距离h直接影响外取热器的安全运行。若间隙过小，水循环阻力大，套管底部易积垢，严重时将堵塞循环通道。若间隙过大，将易出现流量脉动，并引起温度脉动，严重时将使管壁产生热疲劳，从而影响管子的使用寿命。推荐=1.5（为内管直径）。

2.4 翅片设计

由于翅片跟高温催化剂接触，环境温度很高，与外管相焊，材料选用15CrMoR。为了减少翅片与外管的焊接应力，在翅片上开设膨胀缝。

2.5 管束导向架和定位块设计

垂直翅片管束内外套管结构，因每组管束高达10 m，只有上部一端固定，为使各取热管热负荷趋于一致和减少管束的振动，应在管束底部增加导向架。材料均可选用S30408不锈钢。

为保证在套管的全部长度上内外管同心，在内管的外壁上应隔1 500 mm左右的间距焊上定位块。定位块与内管相焊，环境温度均低于350 ℃，材料选用碳钢即可。

2.6 管束与顶封头连接部位套管设计

垂直翅片管束内外套管结构每根管束重约2.5吨，只有上部与顶封头固定，采用套管焊接在封头的结构，这样做既可以增加封头强度，又可以保证管束在高温下自由的伸缩，避免管束焊缝被拉裂。套管规格为Φ325×14。

3 强度校核

3.1 取热管φ325X14校核

表1 取热管φ325X14设计条件

内压计算

计算厚度按GB150 式(3 - 2)计算

=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

最大允许工作压力按GB150.3 式(3-7)计算

[p] = 2[]tφδ/(o-δ)

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

压力试验时，圆筒应力校核

压力试验类型 液压试验（卧式）

试验压力8.79256 MPa

有效厚度δ=δ-C2-C1=14-2-1.75 = 10.25mm

试验压力下，圆筒的应力

= (×9.81×10-9)(D+δ)/(2δ)

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

液压试验时，圆筒的应力= 135≤0.9= 0.9×1×235= 211.5校核通过 !

3.2 取热管φ273X14强度校核

内压计算

计算厚度按GB150.3 式(3 - 1)计算

=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最大允许工作压力按GB150.3 式(3-7)计算

[p] = 2[]tφδ/(D+δ)

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

表2 取热管φ273X14设计条件

压力试验时，圆筒应力校核

压力试验类型 液压试验（卧式）

试验压力7.24826 MPa

有效厚度δ=δ-C2-C1 = 14-2-1.75 = 10.25 mm

试验压力下，圆筒的应力

= (×9.81×10-9)(D+δ)/(2δ)

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

=90.25 MPa

液压试验时，圆筒的应力= 90.25≤0.9= 0.9×1×245= 220.5校核通过 !

4 管束的制造检验及安装要求

（1）所有A、B类焊接接头均应采用GB/T985.1或GB/T986.2中双面坡口全熔透对接接头型式，对无法进行双面焊的对接接头，应采用氩弧焊打底的单面坡口全熔透结构。

（2）所有与Cr-Mo钢之间的焊接均应焊前预热焊后热处理，所有翅片管均应进行焊后热处理。

（3）翅片与取热管焊接时，应采取适当的工艺措施控制取热管的变形（严禁采用通水降温的工艺手段），保证翅片间的距离误差不大于1 mm，取热管全长的直线度偏差应不大于5 mm，并不得发生熔穿取热管的现象。

（5）在任何情况下，Cr-Mo钢元件之间或Cr-Mo钢与碳钢之间的受压焊接接头均不得采用奥氏体型焊接材料。

（6）不允许采用强力组装，以免产生过大的安装应力。

5 结束语

1）本外取热器管束采取了下流式结构设计，采用带翅片的单元套管形式，其结构特点是增加了传热面积，使设备结构更加紧凑；同时翅片又起到了破坏气泡的作用，进一步强化了传热。

2）取热管内管两侧介质为汽水混合物，温度较低，选用20号或20G；取热管外管下部与高温催化剂接触传热部位温度较高，选用15CrMo。

3）催化剂入口处的取热管上增设耐磨防护结构，增强外取热器管束抗冲刷耐磨损的能力；管束底部设置导向架，减少管束的变形和振动。

4）管束与顶封头连接部位采用套管结构，避免取热管直接与封头相焊，既可增加封头强度，又可保证管束在高温下自由的伸缩。

5）取热管下部规格为φ325×14，上部规格为 φ273×14完全满足强度计算要求。

[1] 谭远鹏．催化裂化装置外取热器自然循环水动力特性计算与分析[D] ．中国石油大学（华东），2007.

[2] 韩江联. 浅论外取热器[J]. 催化裂化, 1998,17（6）: 24-30.

[3] 张勤.浅谈外取热器的使用与管理[J]. 炼油技术与工程, 2004, 34（11）:16-18。

[4] 刘砚.100Mt/a催化裂化装置外取热器计算及设计[J]. 化工装备技术, 2012,33（2）:43-44.

[5] 杨家兵.重油催化裂化装置外取热器管束、衬里损坏原因分析及处理对策[J].石油化工设备技术, 2009,30（1）: 35-37.

[6] 张艳红，徐云启.四催化外取热器爆管原因分析[J].东北电力技术, 2008（1）: 30-34。

[7] 陆继峰，杨惠谷. 催化装置外取热器蒸发管断裂原因及其处理措施 [J]. 化工装备技术, 2005, 26（3）: 50-5337-40．

Structure Design and Calculation of External Cooler in Catalytic Cracking Unit

,

（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

吕连杰（1983-），男，工程师，山东省青岛市人，2008年毕业于中国石油大学（华东）过程装备与控制工程专业，研究方向：从事压力容器设计工作。

TQ 052

A

1004-0935（2017）03-0229-03