基于CAESARⅡ的加热炉转油线出口的详细模拟

宋振虎

基于CAESARⅡ的加热炉转油线出口的详细模拟

宋振虎

（辽宁省石油化工规划设计院有限公司，辽宁 沈阳 110000）

通过对某延迟焦化项目加热炉转油线进行详细的建模，模拟加热炉内部盘管及其支撑形式，使得管系的边界条件更加准确清晰，从而得到比传统只考虑管口位移载荷的方法更精准的结果，避免了由于保守的计算结果使管系增加不必要的柔性。

管道应力；转油线；加热炉

在石油化工装置中，加热炉是为系统提供热源的重要工艺设备之一，其外壳包覆钢板，由钢框架作为支撑，内部砌筑耐火层隔热。被加热的工艺介质经由内部盘管进入下一单元进行反应或分馏。一般地，将从加热炉出口至反应器或塔设备的管道称为转油线，由于该管道温度通常在300 ℃以上，且内部介质存在两相状态，极易激发管道振动，往往给管道设计者带来很大挑战。因此转油线的应力分析在石化工程的设计中格外重要，而管道的正确模拟与否关系到分析结果的准确性与可靠性，应引起设计者的格外重视。

1 应力分析的内容及目的

与传统压力容器不同，加热炉的工艺物料管口不与设备壳体焊接，且在设备运行时内部盘管受热，对外部接管产生较大的位移载荷，因此加热炉管口许用载荷相对较小。加热炉油出口管口载荷一般按美国石油学会API 560“Fired Heaters for General Refinery Service”[1]进行校核，但该标准所给出的受力限制偏于保守，通常可与加热炉专业或与制造商协商放宽允许受力限制[2]，行业内一般将管口许用载荷提高至API 560要求的5倍以上。

在许多转油线引起的事故中，大部分原因是由于应力水平超标、支吊架设计不合理造成的。本文以某延迟焦化项目原料预处理单元转油线为例，详细介绍在应用CAESARⅡ进行应力分析时的建模注意事项，并分析对油出口处的详细模拟正确与否对计算结果的影响。

2 计算参数

该管系主要技术条件如下：操作温度340 ℃；操作压力0.2 MPa；工作介质为重焦化油；介质密度 970 kg/m3；管道材质A335 Gr.P5；管道外径 DN200；管道壁厚 Sch40；炉管材质 TP316L；炉管外径DN100；炉管壁厚 8 mm。

3 炉出口边界条件的描述及详细模拟

3.1 边界条件的描述

图1为加热炉辐射室内盘管详图，被加热的重质焦油自底部进入盘管，经过高温炉膛加热后由顶部管口出炉至分馏塔。盘管共22层，每层均由6个盘管支架均布支撑，盘管支架生根于6根方钢柱上，钢柱则固定于炉体底部。由于钢柱直接暴露于炉膛内部，受热后通过盘管支架带动各层盘管向上位移，且越上层的盘管所累积的竖向位移增量越大。

图1 辐射室盘管

传统的建模思想即直接通过加热炉供应商提供的管口各项热态位移值加载到管口法兰处，然而实际中管口受力情况并非仅受三个方向的主位移影响，由于供应商一般不能提供管口处的三向角位移，设计者只能按角位移完全约束考虑，这往往会造成管道应力及支架约束反力偏于保守的结果。如果模拟部分炉管可使分析计算更符合实际，应力分析可将部分炉管包括在内[3]。

3.2 炉出口转油线详细建模

支撑整体盘管的方钢柱可通过与之刚度相近的管道刚性件模拟，温度取炉膛温度。盘管支架可使用C-NODE命令与盘管支点进行关联。为避免环形盘管受热后向炉中心位移，一般设计成弧形钩状支撑，如图2所示，此支撑在模型中可通过一个+Y向支撑附加一个斜向上的支撑来模拟。在炉管穿出炉体处，炉管与外部钢板并非焊为一体，而是将炉体开洞后预植一管径略大于炉管的钢套管，现场施工炉管时，在炉管与钢套管之间缠绕不锈钢丝耐热纤维绳作为密封材料，如图3所示。因此，管口处可视为一个带微小间隙的导向约束，在模型中以三个导向架模拟，分别位于套管上端部、炉体钢板处、套管下端部。整体管系见图4，炉口处边界条件见图5。

图2 盘管支架

图3 顶部管口约束详图

图4 整体管系

图5 炉口处边界条件

4 计算结果比较

5倍API 560管口许用载荷见表1，管口方向标见图6。

表1 管口许用载荷

图6 管口方向标

不同建模方法得出的管口载荷对比见表2。

表2 管口载荷对比

可见，当使用传统方式只考虑热位移载荷时，某些方向上的力和力矩超标，得到的管口载荷过于保守；而详细模拟内部炉管及其约束形式时，由于释放了三向转角位移，加热炉外界管道产生的水平方向位移对竖直管口的弯、扭效应由炉内部接口处的盘管吸收，进而得到更为精确的受力结果，管口载荷处于安全范围内。

5 结 论

（1）计算转油线管道时，若对加热炉内部管道进行详细模拟，可获得更为精确的管口载荷。

（2）使用传统加载位移载荷方法所得到的管口受力往往过于保守，设计者为减小管口载荷而改变管道路由方案，盲目增加管系柔性，不仅增大了系统的压力降，同时增加了更多的弯头，使得两相流激发振动的概率大大增加，不利于管系的安全运行。

［1］API STANDARD 560, Fired Heaters for General Refinery Service[S]. American Petroleum Institute,2016．

［2］唐永进．压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009．

［3］张德姜，柯松林，唐永进.炼油厂装置平面布置及管道设计[M].北京：中国石化出版社，2017．

Accurate Simulation of Transfer Line Outlet of Fired Heaters Based on CAESARⅡ

（Liaoning Petroleum-Chemical Industry Planning & Designing Institute Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110000，China）

The transfer line outlet of fired heater in a delayed coking project was modeled in detail. The arrangement of supports and helical tube in the fired heater were simulated in order to clarify the boundary conditions of piping system. Compared with common methods only concerning displacement loads, more accurate results were obtained by the method, to avoid unnecessary flexible piping layout due to the conservative results.

piping stress; fired heaters; transfer line

2020-01-21

宋振虎（1992-），男，助理工程师，河北邢台人，2015年毕业于沈阳化工大学过程装备与控制工程专业，现从事石油化工管道应力分析工作。

TQ051.5

A

1004-0935（2020）05-0501-03