MTO/FCC反应器高温高压设备隔热衬里对金属壳体温度分布的影响

2020-03-25刘铭刚靳彦欣万古军高凯歌

安全、健康和环境 2020年1期

刘铭刚，靳彦欣，万古军，李勇，高凯歌

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

工业上的高温高压设备，如MTO、FCC反应器的内集气室，其金属壳体内部覆盖一层脆性的隔热耐磨衬里，其与金属壳体组成非线性的复合结构。在设备运行过程中，隔热耐磨衬里材料将出现范围性的隔热性能下降，称为“衬里破坏”。衬里破坏将导致金属壳体温度上升，引发金属壳体的高应力现象，造成设备损坏[1-3]。本文选取内集气室模型中一段带衬里的直筒体作为研究对象，以衬里的破坏范围作为控制变量，研究衬里破坏程度对衬里-金属结构温度分布的影响。

1 计算工况

“衬里破坏范围”用来衡量衬里开裂或破碎的体积或面积[4-7]，它包括2个指标参数——衬里的破坏高度和衬里的破坏厚度。

本文以内集气室内壁直筒段的衬里-金属结构为研究对象，研究衬里破坏高度取96，288，480 mm，以及衬里破坏厚度取0(完好)，20%，40%，60%，80%，100%(隔热功能丧失)时，衬里-金属结构的温度分布变化规律。

2 衬里破坏范围对衬里-金属结构温度分布影响

2.1 衬里破坏厚度对衬里-金属结构温度分布影响

图1为设计温度750 ℃，衬里破坏高度288 mm时，不同衬里破坏厚度下，内集气室内壁衬里-金属结构的温度分布情况。

图2为设计温度750 ℃，衬里破坏高度分别为96，288，480 mm时，衬里-金属结构温度影响规律随衬里破坏厚度的变化规律。

图1 不同衬里破坏厚度时衬里-金属结构温度分布

从图1和图2可以看出，设计温度为750 ℃、衬里破坏高度分别为96，288，480 mm时，随着衬里破坏厚度的增加，衬里-金属结构温度逐渐升高。对每种衬里破坏高度，随着衬里破坏厚度的增加，衬里-金属结构的温度都存在上限。例如当衬里破坏高度为96 mm且破坏厚度达到100%时，衬里-金属结构的最大温度为546 ℃，此种工况对应实际工程中由于衬里施工的“施工缝”没有处理好从而导致周圈衬里完全破坏的情况(衬里厚度小于100 mm)。可见衬里设备出现“施工缝”缺陷时，金属壳体的温度同样存在上限，此结论验证了国外手册中针对“施工缝”缺陷规定的温度上限为550 ℃的科学性和适用性[8-10]。对于衬里破坏厚度为288，480 mm的情况，上述规律同样存在。

2.2 衬里破坏高度对衬里-金属结构温度分布的影响

图3为设计温度750℃，衬里破坏厚度为60%时，内集气室内壁衬里-金属结构的温度分布随衬里破坏高度的变化情况。

设计温度为750 ℃时，衬里-金属结构的温度分布随衬里破坏高度的变化规律如图4所示。

图2 衬里-金属结构温度随衬里破坏厚度的变化规律

从图4和图5可以看出，设计温度750 ℃，衬里破坏高度一定时，随着衬里破坏厚度的增加，衬里-金属结构的最大温度迅速增大。且当衬里破坏厚度80%，衬里破坏高度分别为96，288，480 mm时，衬里-金属结构的最大温度分别为271，316，346 ℃。而在实际工程中，隔热衬里破坏高度超过480 mm且破坏厚度达到80%以上的情况极难出现。所以在设计衬里设备金属壳体强度时，选取350 ℃为极限温度条件是有根据的和适用的，这也验证了国外手册中衬里破坏决策书中的温度极限下限[11]。