CN101481087B - 一种消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法，其特征在于：在转化炉辐射室底部的横梁和下集气管之间设置弹性限位件，所述弹性限位件的弹力方向与下集气管的变形方向相反，并且，所述弹性限位件所产生的最大外张弹力与其所处位置处的下集气管的变形应力相当。弹性限位件的设置，可以抵消竖琴式转化炉下集气管热态时所产生的向上拱起过度变形的问题，有效解决了由下集气管变形所带来的一系列问题，避免了下集气管的衬里产生裂纹或脱落、集气管外壁局部超温等问题，转化炉整体操作、运行安全、平稳，效果非常显著。
Description
技术领域
本发明涉及到石油化工装置中的烃类蒸汽转化炉，具体指一种消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法。
背景技术
现有的烃类蒸汽转化炉是合成氨、甲醇、制氢等石油化工装置中最为重要的设备之一，而转化炉管系是整个转化炉的关键部位，其包括上分配管、上猪尾管、转化炉管、下集气管和下集气总管。转化炉管和下集气管的连接形式通常有两种方式：竖琴式即直插式和带下猪尾管式。这两种方式各有利弊，在国内外均有多套装置采用。其中竖琴式具有结构简单、投资小、能耗低等优点而越来越多的受到国内外各技术公司、设计单位和生产企业的推崇。
国内现有的所有采用竖琴式转化炉管系的化工装置，例如泸天化40万吨/年甲醇装置、湖北化肥厂30万吨/年合成氨装置、上海高桥的两套制氢装置、海南炼化制氢装置、大连西太平洋制氢装置等，在操作状态下，均出现转化炉下集气管热态向上拱起，产生过度变形的现象。产生这种现象的主要原因是下集气管的顶部和底部所存在的温差造成的，从现场实测得知，下集气管顶部和底部之间的温差最大可达70℃。造成下集气管顶部和底部温差的主要原因是下集气管内部衬里的不均匀、转化炉底部热辐射、集气管顶部和底部存在热损差异等原因，而以上问题在此类转化炉中是不可避免的。下集气管过度向上拱起，会导致下集气管内部衬里热变形，出现裂纹或脱落。过度变形还会使转化管与下集气管相连接的开孔处应力陡然增大，使开孔呈现椭圆化。由于下集气管内的富氢气体温度在800℃～900℃左右、压力为2.65MPa(表压)。富氢气体在衬里裂纹或脱落部位与下集气管外壁直接接触，造成管壁超温(下集气管材质通常为16Mn)，长期下去将导致管壁破裂，造成高温高压富氢气体泄漏，甚至遇明火引起爆炸，存在重大安全隐患。因此，国内这些装置在生产过程中出现以上问题后，就不得不停车，修复衬里，而此处的整改、修复一般很难进行，需花费较长时间，对生产企业造成了巨大的经济损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对竖琴式转化炉现有的技术现状，提供一种消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法。
本发明所采用的技术方案为：该消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法，其特征在于：在转化炉的辐射室底部的横梁和下集气管之间设置弹性限位件，所述弹性限位件的弹力方向与下集气管的变形方向相反，并且，所述弹性限位件所产生的最大外张弹力与其所处位置处的下集气管的变形应力相当。
在转化炉辐射室底部的横梁和下集气管之间设置弹性限位件，利用弹性反力来控制竖琴式转化炉下集气管在热态时向上拱起过度的问题，从而有效地解决了下集气管变形过大所带来的一系列问题。
每根下集气管上可以设置1～(n-2)个弹性限位件；其中，n表示转化炉底部横梁数量，横梁的数量取决于装置的规模和转化炉的热负荷，考虑到整个装置的经济性，通常n≥4；常数“2”为转化炉底部最两端的2根横梁，在此2根横梁底部不设置弹性限位件；所述弹性限位件沿下集气管的方向对称或均布在下集气管与转化炉底部横梁之间。这样，整个下集气管的受力比较均匀，不会出现某一端翘起的现象。由于下集气管在热态时，中间向上拱起的间隙最大，两端向上拱起的间隙较小。因此，安装在不同位置上的弹性限位件所承受的载荷是不一样的，通常情况下，设置在中间的弹性限位件的最大外张弹力比两端的要大，其具体大小要通过具体的应力计算求得。
较好的，所述弹性限位件可以包括壳体和安装在壳体内的弹簧。该结构取材方便、容易，同时也便于安装。壳体内到弹簧可以由两个或两个以上的弹簧并联组装而成。弹性限位件在出厂前，弹簧要根据设计所提供的安装载荷、工作载荷和位移量进行预压缩。
所述壳体的下方通过一环状管卡固定在下集气管上，壳体的上方抵靠在所述横梁上。这样可以避免因焊接所产生的应力，而且施工方便。为了安装方便，壳体的上方可以设置一荷重板，通过荷重板抵靠在横梁上。
与现有技术相比，本发明由于在下集气管和转化炉底部的横梁之间设置了弹性限位件，其能够有效抵消竖琴式转化炉下集气管热变形时所产生的向上拱起过度变形，避免了由下集气管变形所带来的一系列问题；而固定板和环状管卡的设计，使得所述弹性限位件的安装非常方便。将本发明已应用于某30000Nm3/h制氢装置中，该制氢装置自开工至今九个月以来，未出现过由于下集气管在热态时所引起的衬里产生裂纹或脱落、集气管外壁局部超温等问题，转化炉整体操作、运行安全、平稳，效果非常显著；而现有技术中的转化炉下集气管，通常在装置开车三到五天就会出现下集气管较大幅度的上拱变形，一至两个月后就极有可能引起下集气管衬里产生裂纹或脱落、集气管外壁局部超温等问题，导致生产车间必须停车维修。本发明结构简单，可大量应用于国内外新建或改造的合成氨、甲醇、制氢等类似的炼油化工装置中，对于保证整个装置的安全平稳运行、消除安全隐患、减少维修费用和时间、增加企业经济效益等方面均具有很高的实用价值和广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中弹性限位件的立体分解示意图；
图2为本发明实施例中的弹性限位件的立体装配示意图；
图3为本发明实施例中弹性限位件在下集气管上的安装布置平面示意图；
图4为本发明实施例的使用状态的立体结构示意图(局部)；
图5为本发明实施例中弹性限位件安装前的立体结构示意图(带有销轴)；
图6为本发明实施例中弹性限位件安装后的立体结构示意图(拔掉销轴)。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1和图2所示，弹性限位件1包括壳体2和安装在壳体内的弹簧3。
将上述弹性限位件1用于某30000Nm3/h制氢装置中，如图3和图4所示，该制氢装置的转化炉底部根据设备(工业炉)、结构等设计专业综合考虑设置有五根横梁4，共有四根下集气管5；所述横梁4和下集气管5相互垂直。其中下集气管5规格为Φ630×16，材质为16MnR，下集气管内的温度为300℃，操作压力为2.65MPa(表压)，管内介质为富氢转化气。
下集气管冷、热态位移值见表1所示。
表1下集气管冷、热态计算位移值
| 节点 | Dx(mm) | Dy(mm) | Dz(mm) | 备注 |
| 1170 | -3 | 9 | -10 | 热态 |
| 1170 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
| 1320 | 3 | 16 | -10 | 热态 |
| 1320 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
| 1470 | 9.6 | 9 | -10 | 热态 |
| 1470 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
| 3170 | -3 | 9 | -5 | 热态 |
| 3170 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
| 3320 | 3 | 16 | -5 | 热态 |
| 3320 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
| 3470 | 9.6 | 9 | -5 | 热态 |
| 3470 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
| 5170 | -3 | 9 | 5 | 热态 |
| 5170 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
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| 5320 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
| 5470 | 9.6 | 9 | 5 | 热态 |
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| 7170 | -3 | 9 | 10 | 热态 |
| 7170 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
| 7470 | 3 | 16 | 10 | 热态 |
| 7470 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
| 7320 | 3 | 9 | 10 | 热态 |
| 7320 | 0 | 0 | 0 | 冷态 |
表中：Dx、Dy和Dz分别表示下集气管在x、y和z方向上的位移量。
由表1可知，在热态情况下，由于下集气管顶部和底部存在着约70℃的温差，使得下集气管向上拱起，在下集气管的中间拱起最大，约为16mm，经过多次调整弹簧荷载，采用CAESAR II应力分析软件反复计算，最终确定在下集气管两端1170和1470点(即图3中的A、B两点)分别安装弹性限位件，其安装载荷为40000N；下集气管的中间位置在1320点(即图3中的C点)处安装弹性限位件，其安装载荷为90000N。
本实施例中四根下集气管上共设了十二个弹性限位件。每根下集气管5上设置三个弹性限位件，分别设置在中间的三根横梁的下方，即在下集气管两端的横梁下方不设置弹性限位件。根据上述计算，弹性限位件需要有二种规格，确定为分别安装在两端的THX30F17-400和安装在中间的THX30F19-400(注：THX表示弹簧箱，30代表弹簧规格，F表示支架，17、19为弹簧编号，400代表弹簧安装空间)。根据上述要求，本实施例中弹性限位件1的壳体2的尺寸为700×400×400mm，所述壳体2的材质为Q235B；每个壳体2内设置有两个弹簧3。其中下集气管5两端的弹性限位件所使用的弹簧的工作载荷为20000N，安装载荷为23017N，向上的位移量为5mm；安装在下集气管中间部位的弹性限位件所使用的弹簧的工作载荷为45000N，安装载荷为47373N，向上的位移量为8mm。将两个弹簧并排安装到壳体内的安装载荷处，封装壳体，然后用弹簧压力机对弹簧进行预压缩，然后用销轴6将预压缩后的弹簧固定。壳体2上设有供销轴6穿出的孔，以方便销轴的撤离。
本实施例中，壳体2的底面通过螺栓固定连接管卡7上端的固定板8，该连接方式避免了焊接所引起的应力变形；壳体2的上端面抵靠在横梁4上。上述管卡7包括上半环9和下半环10，所述上半环9和下半环10通过螺栓固定连接后环箍在所述下集气管5上；壳体2的上方设置有荷重板11，通过荷重板11抵靠在横梁4上。该结构安装方便。
当弹性限位件1安装完后，在开车前，将弹性限位件1上的销轴6拔出，由于下集气管顶部受到一个弹性反力的作用，而下集气管两端可自由膨胀。因此，在热态下，下集气管顶部和底部虽然存在温差，但不会向上拱起，而是向两端膨胀，从而避免了下集气管向上拱起造成的衬里破坏，气体泄漏的事故发生。
通过在下集气管上设置弹性限位件，利用弹性反力控制下集气管温差引起的变形，收到了良好的效果，使制氢装置能够安全、平稳地运行。
使用上述方法后，30000Nm3/h制氢装置在至今九个月内未出现过下集气管的衬里产生裂纹或脱落、集气管外壁局部超温等问题，转化炉整体操作、运行安全、平稳，效果非常显著；而未采用该方法的竖琴式转化炉，在装置开车一至二个月内即出现下集气管热态上拱变形的状况，这说明该方法对于消除下集气管热变形非常有效。
Claims (4)
1.一种消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法，其特征在于：在转化炉辐射室底部的横梁和下集气管之间设置弹性限位件，所述弹性限位件的弹力方向与下集气管的变形方向相反，并且，所述弹性限位件所产生的最大外张弹力与其所处位置处的下集气管的变形应力相当。
2.根据权利要求1所述的消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法，其特征在于：每根下集气管上设置1～(n-2)个弹性限位件，其中n表示转化炉辐射室底部横梁的根数，且n≥4；所述弹性限位件对称或均布在下集气管上，并且，下集气管两端的横梁下方不设置弹性限位件。
3.根据权利要求1所述的消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法，其特征在于：所述弹性限位件包括壳体和安装在壳体内的弹簧。
4.根据权利要求3所述的消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法，其特征在于：所述壳体的下方通过一环状管卡固定在下集气管上，壳体的上方抵靠在所述横梁上。
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