CN110697653A - 提高高温集合炉管可靠性的安全结构及操作方法 - Google Patents

提高高温集合炉管可靠性的安全结构及操作方法 Download PDF

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杜永智
何可禹
吴拴强
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Abstract

本发明提供一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构及操作方法,包括支管台及集合管母管,所述支管台包括柱状管体,柱状管体的下部外沿延伸有翻边,集合管母管留有与支管台焊接的开孔,翻边与开孔外周焊接连接,翻边与开孔外周焊接焊缝的外侧表面及内侧表面均为V型,本发明结构简单,利用翻边结构能够使支管台包含了母管部分结构,再将支管台与母管连接,相比于转油线整体锻造的方案,具有可行性,成本更低的特点,支管台焊缝和热影响区远离开孔应力最大部位,并且补强金属集中于开孔应力最大部位,有效地降低应力集中系数;新支管台与母管连接为普通对接焊缝,焊接难度小、焊接质量容易保证。

Description

提高高温集合炉管可靠性的安全结构及操作方法
技术领域
本专利涉及石油化工领域,具体涉及一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构及操作方法。
背景技术
转化炉是制氢装置的核心设备,转化炉入口管路包括原料气入口集合管及转油线等,起到输送原料气并分配到炉管中的作用,如图1所示,原支管台为常见的马鞍形支管台100,放置于入口集合管母管101开口处上方,支管台下部坡口与入口集合管母管外壁用角焊缝进行连接。
而随着科技和生产力的进步,石油炼制和化工行业规模也在不断增大,特别是随着新能源、环保的要求,对氢气的产能也在日益扩大。而制氢装置转化炉入口集合管大型化后,管径尺寸大大增加,采用上述转化炉管路焊接结构方式在制氢装置入口集合管支管台常常出现开裂情况,导致入口集合管母管安全可靠性大大降低。转化炉大型化后对入口管路造成的影响包括以下方面:
1.大型化后,操作温度提高,对材料的性能提出了更高的要求,一般采用TP321、TP347系列奥氏体不锈钢,但是该系列不锈钢特别是TP347H国内使用应用时间并不长,特别是厚壁管道制造、焊接方面经常出现问题;
2.大型化后,入口管路口径及壁厚增大,管线柔性减小,吸收温差造成的管线热膨胀的性能变差;
3.大型化后,管壁厚度增大,内外壁温度梯度造成的内外壁热膨胀速度不同,收到的内热应力增大;
4.大型化后,管件制造难度加大,制造质量难以保证;
以国内运行最大制氢装置为例,14万标m³/h制氢装置原料气入口集合管操作温度620℃,操作压力3.0MPa,入口集合管母管及支管材质均为TP347H(奥氏体不锈钢);运行过程中发生过多次转油线主管焊缝裂纹,及支管台焊缝裂纹。主要问题如下:
(1)主管线开口处最大应力区域与分支管支管台焊缝及热影响区基本重合,焊缝承受较大应力,容易导致开裂。
(2)如图2所示,支管台放置在母管上方,与母管表面形成夹角,只能采用角焊缝填充。而焊缝四周角度不同,轴向侧焊接接头102最大角度30°,径向侧焊接接头103最大角度45°,不能连续施焊。焊接过程中无故增加引弧收弧,定位性差、不易操作、焊接应力大,焊接质量难以保证。
(3)而角焊缝本身承载力较差,焊缝需要全焊透情况下才能保证达到预期的力学性能,力学性能难以保证。
(4)由于角焊缝本身性质,无法进行超声波、射线等无损探伤手段,焊接质量难以检验。
(5)支管台以堆焊填充的角焊缝由于焊缝截面积大,各方向焊缝角度不同,造成焊接接头厚度不同,焊缝本身拘束应力极大,受力不均匀。
集合管主管线设计厚度55mm,转油线设计厚度42mm,在开停工过程因为受金属传热速率影响,管路内外壁存在温差,产生温度梯度后,不同的热膨胀量导致内应力。经过计算当内外温差达到一定温度时,由于内外温差造成的内应力也会导致管线开裂。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进,即本发明要解决的技术问题是现有石化油化工行业制氢装置,转化炉入口集合管支管台位置经常开裂、运行可靠性差、安全风险高等问题。
本发明的具体实施方案是:一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构,包括支管台及集合管母管,所述支管台包括柱状管体,所述柱状管体的下部外沿延伸有翻边,所述集合管母管留有与支管台焊接的开孔,所述翻边与开孔外周焊接连接,所述翻边与开孔外周焊接焊缝的外侧表面及内侧表面均为V型。
进一步的,所述翻边外沿与开孔内侧对接处平行设置。
进一步的,所述支管台与集合管母管配合处外部裹覆有保温壳套,保温壳套内伸入有与负压装置连接的负压管,所述负压管联通有泄露气体收集器,泄露气体收集器内具有气体检测装置,气体检测装置设置在集合管母管上方。
进一步的,集合管母管内壁与外壁均设置有温度传感器。
进一步的,所述翻边为向上弯曲翻边、水平翻边或向下部弯曲翻边。
本发明还包括一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构的操作方法,包括在待焊接于集合管母管的支管台下部一体成型有翻边,集合管母管预留与支管台焊接的开孔,所述翻边与开孔外周焊接连接,所述翻边与开孔外周焊接焊缝的外侧表面及内侧表面均为V型。
进一步的,在所述集合管母管内壁与外壁均设置有温度传感器,所述支管台与集合管母管配合处外部裹覆有保温壳套,保温壳套内伸入有与负压装置连接的负压管,所述负压管联通有泄露气体收集器,利用负压装置吸取气体并集中入泄露气体收集器壳内,之后在利用气体检测装置对收集到的气体进行检测。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1)管台包含翻边结构在焊接后形成了母管部分结构,保留了整锻件补强的优点,并且大大降低了制造成本,可靠性、经济性、可行性都得到了保证。相比于转油线整体锻造的方案,具有可行性,成本更低。
2)新集合管支管台焊缝和热影响区远离开孔应力最大部位,并且补强金属集中于开孔应力最大部位,有效地降低应力集中系数;新支管台与母管连接为普通对接焊缝,焊接难度小、焊接质量容易保证;
3)焊接接头厚度均匀、焊接结构本身不增加应力、焊缝受力均匀、焊缝承载能力好;
4)解决焊接质量无法检测问题,射线检测、超声波检测等现有无损检测手段都可以进行,确保焊接质量;
5)入口集合管整体结构得到优化,承载能力得到提升,结构更安全;
6)增加集合管及转油线保温厚度,将温度的散失降到最低;
7)增加了温度传感器及气体传感器能够方便后续与控制系统适应实现监控,作为最后一道保命手段,第一时间发现泄漏。
附图说明
图1为支管台与集合管母管现有结构示意图。
图2为支管台与集合管母管现有焊接结构示意图。
图3为本发明支管台结构示意图(翻边向下部弯曲过渡到翻遍水平);
图4为本发明支管台结构示意图(翻边水平设置)可以用在平面容器或管线。
图5为本发明支管台与集合管母管配合结构示意图。
图6为图5A处局部放大示意图。
图7为图5A处局部放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例一,如图3~6所示,一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构,包括支管台10及集合管母管20,所述支管台包括柱状管体120,所述柱状管体的下部外沿延伸有翻边110,所述集合管母管留有与支管台焊接的开孔,所述翻边与开孔外周焊接连接,所述翻边110与开孔外周焊接焊缝30的外侧表面及内侧表面均为V型。本实施中,支管台可用于作为转化炉原料气入口。
本实施例中,所述翻边110外沿与开孔内侧对接处平行设置,支管台翻边部位坡口与集合管母管开孔坡口水平放置,与支管台10与集合管母管20连接为普通对接缝,本实施例中采用双面V型对接焊缝母管连接焊接难度小、焊接质量容易保证。
所述翻边为向上弯曲翻边、水平翻边或向下部弯曲翻边。
实施例二,如图7所示,所述支管台与集合管母管配合处外部裹覆有保温壳套301,保温壳套内伸入有与负压装置连接的负压管302,所述负压管联通有泄露气体收集器,利用负压装置吸取气体并集中入泄露气体收集器壳内,之后在利用气体检测装置对收集到的气体进行检测,支管台与集合管母管配合处外部利用保温结构收集泄露气体,各处收集点通过管线集中通向气体检测装置泄露气体收集器后利用气体检测器检测,气体检测装置设置在主管线上方。
利用气体检测装置能够检测。本实施中,集合管母管内壁与外壁均设置有温度传感器,所述传感器包括内部温度传感器410及外部温度传感器420,内部温度传感器410及外部温度传感器420能控制集合管母管的内外温差;实际运行时要求生产操作在运行期间入口管路内外壁温差小于50℃。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外,如果其公开了数值范围,那么公开的数值范围均为优选的数值范围,任何本领域的技术人员应该理解:优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多,无法穷举,所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案,并且,上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话,本领域技术人员应该知晓:“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外,上述词语并没有特殊的含义。
同时,上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件,那么,除另有声明外,固定连接可以理解为:能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接),也可以理解为:不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接),当然,互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外,上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成,也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技术方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构,其特征在于,包括支管台及集合管母管,所述支管台包括柱状管体,所述柱状管体的下部外沿延伸有翻边,所述集合管母管留有与支管台焊接的开孔,所述翻边与开孔外周焊接连接,所述翻边与开孔外周焊接焊缝的外侧表面及内侧表面均为V型。
2.根据权利要求1所述的一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构,其特征在于,所述翻边外沿与开孔内侧对接处平行设置。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构,其特征在于,所述支管台与集合管母管配合处外部裹覆有保温壳套,保温壳套内伸入有与负压装置连接的负压管,所述负压管联通有泄露气体收集器,泄露气体收集器内具有气体检测装置,气体检测装置设置在集合管母管上方。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构,其特征在于,集合管母管内壁与外壁均设置有温度传感器。
5.根据权利要求1或2所述的一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构,其特征在于,所述翻边为向上弯曲翻边、水平翻边或向下部弯曲翻边。
6.一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构的操作方法,其特征在于,包括在待焊接于集合管母管的支管台下部一体成型有翻边,集合管母管预留与支管台焊接的开孔,所述翻边与开孔外周焊接连接,所述翻边与开孔外周焊接焊缝的外侧表面及内侧表面均为V型。
7.根据权利要求6所述的一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构的操作方法,其特征在于,在所述集合管母管内壁与外壁均设置有温度传感器,所述支管台与集合管母管配合处外部裹覆有保温壳套,保温壳套内伸入有与负压装置连接的负压管,所述负压管联通有泄露气体收集器,利用负压装置吸取气体并集中入泄露气体收集器壳内,之后在利用气体检测装置对收集到的气体进行检测。
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