卧管箱式炉转油线设计研究

2021-03-08谢龙

工业炉 2021年1期

谢龙

（中海油石化工程有限公司，山东青岛 266061）

目前炼油化工装置的管式加热炉热负荷较大，同时要求加热炉有比较宽的操作弹性范围，适合不同原料的加工处理能力。卧管箱式炉可以在较宽的流速范围内保持较好的流型，尤其适用于高压加氢加热炉[1]，因此大多新建炼油化工装置加热炉设计为卧管箱式加热炉。本文主要对辐射段炉管为上进下出且管架为下支撑式的卧管箱式炉转油线设计技术进行探讨，同时利用柔性分析设计软件Caesar II 对加热炉炉管转油线应力位移进行校核计算，进一步结合工厂的安装运行情况对转油线设计技术进行探讨。

1 转油线设计技术研究

1.1 理论计算依据

卧管箱式炉转油线膨胀量计算包括三部分：辐射管架膨胀量ΔL1、辐射排管膨胀量ΔL2 和转油线自身的膨胀量ΔL3。各部分的膨胀量均可按下式计算：

ΔL=L·α·Δt

式中：ΔL—炉管伸长量，mm

L—计算管长，m

α—炉管的线膨胀系数，mm/（m·℃）

Δt—炉管管壁温差，℃

1.2 转油线预拉伸量计算

由于辐射管架和辐射炉管的线膨胀系数不同，热态时，管系和管架会存在一定的热膨胀差，同时转油线位置会产生应力。为确保加热炉转油线设计合理可靠，辐射转对流转油线预拉伸量的计算可以从两个方面进行考虑：

（1）当从消除管架和管系膨胀量差值角度考虑时，转油线的预拉伸量 ΔL=ΔL1-（ΔL2+ΔL3）。

（2）当从消除转油线应力角度考虑时，转油线的预拉伸量 ΔL=ΔL1（或 ΔL2）+ΔL3，取 ΔL1、ΔL2 中的较大值。

设计时，需要根据加热炉的具体情况充分考虑，既要尽量消除转油线管系的应力，又要补偿管系和管架的热膨胀差。另外，靠近辐射炉管入口的管架最上一层比炉管低10 mm，利用三角函数关系，可计算入口套管处的差值，在最终确定转油线预拉伸量时需要考虑此处的差值。

1.3 辐射段出入口封板设计

由上文讨论可知，辐射段出入口炉管热态时向上平移，为了让辐射炉管出入口位置热态时能自由平移，将辐射段出入口设计为长圆孔，如图1 所示。图1 中封板两端的螺栓孔也设计为长圆孔，长圆孔的长度根据炉管的平移位置计算确定，并考虑一定的裕量。冷态时炉管的安装位置也需要设计人员明确，避免现场安装施工时出错。

图1 辐射炉管出入口封板示意图

2 转油线应力位移校核

为了使设计计算的转油线结构在热态工况时应力和位移在允许的范围内，可以借助柔性分析设计软件Caesar II 对加热炉炉管转油线应力位移进行校核计算，建立转油线计算模型如图2 所示。建模时尽可能按照实际比例建立，然后进行加载求解。

图2 转油线计算模型示意图

Caesar II 计算的加热炉管系的静力计算结果一般包括：管道应力，管道上各约束受力及管道各点位移。应力计算结果主要用于对管道进行应力校核。对于石油炼制厂管道一般采用ANSI/ASME B31.3[2]，应力校核一般包括一次应力校核和二次应力校核，管道承受内压和持续载荷而产生的应力，属于一次应力。管道由热胀、冷缩和其它位移约束而产生的应力，属于二次应力。

一次应力在SUS 工况下校核，得到的各相应力计算值及所在节点位置见表1。由表可知该工况下的许用应力为129 759.3 kPa，规范应力为31 169.6 kPa，规范应力比为24.0%，规范应力校核通过。

表1 一次应力计算结果

二次应力在EXP 工况下校核，得到的各相应力计算值及所在节点位置见表2。由表可知该工况下的许用应力为 325 766.5 kPa，规范应力为 36 042.8 kPa，规范应力比为11.1%，规范应力校核通过。

表2 二次应力计算结果

转油线管系位移在DX、DY 及DZ 方向的最大位移分别为-49.702 mm、27.779 mm 及 28.779 mm，需要设计合理的转油线结构及走向，补偿各个方向的位移量。

3 转油线管系安装问题

加热炉设计过程中设计人员严格按照标准规范设计计算，确保符合设计规范。然而现场安装过程中，尽管大多数情况下安装会符合要求，如图3（a）所示，1 号标线表示炉子热态时螺栓所在位置，2 号标线表示炉子冷态时螺栓所在位置，整个过程中自由移动，但难免会出现安装误差，出现如图3（b）所示情形，螺栓在热态移动位置后，冷态时无法复位，螺栓被拉斜卡住位置，导致管系应力无法完全释放的现象。这就对设计提出新的要求，设计中要充分考虑安装问题，并对关键技术做出明确要求。