KR20070094557A - 극한 열적 싸이클을 위한 구조 - Google Patents

극한 열적 싸이클을 위한 구조 Download PDF

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Abstract

극한 열적 싸이클을 위한 구조는 용접이 아닌 베어링과 마찰력에 의해 주로 용기를 지지하는 지지요소를 구비한다. 지지 요소는 경사진 저부와 용기의 실린더부를 구별하는 연결부 밑에서 내측으로 테이퍼진 베어링부를 구비한다. 지지 요소의 베어링부는 경사와 연결되고, 지지 요소와 용기 사이의 접촉된 확대 영역을 제공한다. 지지 요소의 고리형부는 기응력을 제공하기 위해 용기의 실린더부 주위에 배치되기 전에 가열되고 팽창된다. 필요하면, 스트랩이 지지 요소의 상부 에지 위에서 용기로부터 하방으로 연장된다.
열적 싸이클, 코크 드럼, 베어링

Description

극한 열적 싸이클을 위한 구조{STRUCTURE FOR EXTREME THEMAL CYCLING}
본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 첨부된 도면으로서,
도 1은 본 발명이 구현된 구조의 제1 실시예에 따른 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 구조의 일부를 도시한 확대 단면도이다.
도 3은 지지 구조가 연결부의 사용을 포함하지 않는 구조의 해당부의 일부 단면도이다.
도 4 및 5는 선택적 지지부를 사용한 구조의 해당부의 일부 확대 단면도이다.
본 발명은 가열된 재질의 큰 부피의 산업적 처리에 사용되는 구조에 관련된 것으로서, 특히 지연 석유 코킹(delayed petroleum coking)에 사용되는 고압 용기에 관련된 것이다.
지연 석유 코킹은 석유의 일부를 고체 코크스(coke) 부산물과 탄화수소 증류 부산물을 제공하기 위해 열적으로 분해시키기 위한 온도로 가열하는 공정이다. 일반적으로, 액체 석유 공급원료는 먼저, 가벼운 지스러기가 회수되고, 무거운 잔여 물이 잔존될 때까지 증류시킨다. 상기 가열된 피치(pitch)의 무거운 잔존물 및 반변성된 무거운 또는 사이클 오일은 소위 코크스 드럼(coke drum)이라 불리우는 구조의 바닥에 충진된다.
코크스 드럼은 수직 배치된 압력 용기로서, 지름이 12 내지 32 피트이고, 실린더 단면으로 보면 높이가 30 내지 80 피트 정도가 일반적이다. 코크스 드럼은 원뿔 바닥 부분을 구비하여, 구조상에서 일정한 지지 응력을 제공하며, 실린더 부분과 원뿔형 바닥 부분 사이에 전이 연결부 근처 또는 용접되어 스커트(skirt)가 지지되어 있다.
코크스 드럼에서, 무거운 잔여물은 대략 1000°F 정도까지 계속 가열하고, 광범위하고 제어된 열분해 및 코킹을 고압 환경에서 진행되게 된다. 열분해된 가벼운 부산물은 소위 스팀 스트리핑(steam stripping)이라 불리우는 공정에서 코크스 드럼의 상부로 상승하고, 배출된다.
무거운 잔여물은 잔존하고 열분해되며, 코크스, 고체, 석탄 같은 물질이다. 코크스는 일반적으로 잔존한 휘발성 요소를 제거하기 위하여 증기로 정화된다. 코킹을 하고, 코킹 공정이 완료되면, 정화수를 도입하여 고압 물 제트를 사용하여, 코크를 잘라내고 제거한다. 물은 대략 200°F 정도나 그 이하로 싸이클이 시작되기 전에 드럼의 온도를 낮추게 된다. 공정 속도를 향상시키기 위하여, 정화 공정은 가능한한 빨리 진행하도록 한다. 용기의 싸이클 시간은 전형적으로 48시간 이나 그 이내이다.
가열 및 정화 싸이클 동작의 코크 드럼 같은 용기는 시간이 지나면 구조의 손상이 유발된다. 용기는 과도한 열적 싸이클을 겪으므로, 지지 스커트가 용기에 용접되는 영역에서 손상이 발생하게 된다. 금이 생기고, 지지 스커트, 용기 벽 또는/및 용접 부착부에 구조적 손상이 발생할 수 있다.
크래킹(cracking) 및 그 외 피로(fatigue) 관련 파손에 보다 강한 구조가 유리하다.
출원인은 극한 열적 싸이클 과정에서 재질을 유지할 수 있는 새로운 구조를 개발하고 있다. 용기는 실런더 부분과 기울어지며 연결부 하부로 연장된 저부를 구비한 종래의 모양을 유지하는 재질을 갖는다. 종래의 설계와 달리, 용기는 용기에 용접될 필요없는 새로운 지지 요소에 의해 지지된다. 용기와 지지 요소간에 용접의 양을 줄이는 것은 결과적으로 피로를 줄일 수 있는, 보다 유연한 연결을 유발한다. 이것은 용접 수축으로 인한 응력을 감소시킬 수 있는데, 용접은 철에서 열 변성을 받는 영역을 유발하고 국지적 고응력을 유발하기 때문에, 피로 내성을 향상시키는데 도움이 된다.
용접을 이용하기보다는, 새로운 지지 요소가 베어링 및 마찰력에 의해 용기를 주로 지지하게 된다. 이것은 연결부 밑에 내측으로 테이퍼진 베어링을 포함하며, 용기의 저부의 기울기가 수반된다. 이 베어링부는 용기와 지지 요소간에 넓은 접촉 면적을 제공하며, 이것은 용기와 지지 요소간에 보다 일정한 온도 구배를 제공함으로써 용기와 지지 요소간의 열적 유발되는 응력을 감소시킬 수 있다. 보다 일정한 온도 구배는 구조의 피로 저항을 향상시키게 된다.
선택적으로, 지지 요소는 연속 스커트 벽 또는 구조 부재의 골격 상에 장착된 베어링 플레이트의 세트를 포함할 수 있다. 고리 모양의 상측부는 용기의 실린더부 조위를 감싸며, 용기 및 지지요소가 함께 기응력 지지를 제공하기 위해 조립되기 전에 가열된다. 또한, 고온의 유향 수지(乳香樹脂)(mastic) 층은 용기와 지지 요소상의 베어링면 사이에 두 요소간 열적 전도성(conductance)를 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 코크 드럼(10)은 본 발명에 사용된 구조의 예시이다. 일반적으로, 용기(12) 및 지지 요소(14)가 포함된다.
용기(12)는 실린더부(20)와 경사진 저부(22)를 구비한다. 코크 드럼의 전형적인 실린더부는 30 내지 80 피트(feet) 이상의 높이를 가지며, 12 내지 32 피트의 지름을 가진다. 코크 드럼에서, 실린더부는 종종 용접된 철판으로 구성되며, 그 두께는 명목 두께가 대략 3/4 내지 2.5 인치(inch)거나 그 이상이다. 용기의 저부는 실린더부와 저부를 구별하는 연결부(26) 밑으로 일반적으로 확장된다. 본 실시예에서, 저부는 코크 드럼상에 원뿔부가 일반적이다. 원뿔부의 원뿔 각도는 다양하다. 본 예시된 배치는 전형적이나, 다른 용기 배치도 사용된다.
예시된 지지 요소(14)는 용기(12)를 용접 없이 지지한다. 본 실시예는 용기의 실린더부(20)의 일부를 감싸는 고리형의 상측부(32)를 구비한 연속된 스커트벽(30)을 포함한다. 본 실시예에서, 스커트 벽은 용기의 연결부(26)와 매치(match)되는 관절부(36)를 포함한다. 스커트벽의 베어링부(40)는 용기의 연결부 하부에서 내측으로 테이퍼지며, 용기의 저부(22)의 경사와 연결된다. 예시된 스커트벽의 모든 부분이 용기의 외곽과 연결되지만, 다른 실시예로서, 스커트의 일부분이 용기 외곽과 벗어나는 것도 가능하다. 선택적으로, 연결부 없이 스커트를 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 용기의 실린더부를 감싸도록 실린더부터 직접 용접된 저측 원뿔부를 구비할 수 있다. 또는, 도 3에 도시된 바와 같이, 용기(12)에 원뿔 베어링부(40)만 구비하는 것도 가능하다.
스커트 벽(30)은 연속적일 필요가 없다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들어, H 빔(H-beams)과 같이 구조 부재(52)의 골격에 장착되는 베어링 플레이트(50)를 구성할 수도 있다.
도시된 스커트벽(30)은 용기(12)와 접촉된 확대영역을 제공한다. 종래의 전형적인 배치에서, 지지하는 스커트와 용기 사이의 주된 접촉은 연결부와 스커트 사이의 용접선이다. 25 피트 지름의 용기에서, 대략 12 평방피트의 재질만큼 협소한 영역을 통해 지지 요소가 관통되거나 또는 연결부 근처에서 용기와 지지요소간에 최대힘이 발생한다. 예시된 예에서, 용기는 18 인치(inch)의 폭을 초과하는 고리형 접촉면이 제공되는 구조에 의해 둘레 방향으로 지지되며, 스커트 벽(30)과 용기(12) 사이의 총 접촉 면적은 1000 평방 피트를 쉽게 초과하고, 대응되는 종래의 배치보다 그 크기가 휠씬 크다. 이러한 증가된 접촉 면적은 스커트 벽과 용기 사이의 열적 전도성을 향상시키며, 열적 싸이클동안 스커트 또는 용기가 경험하는 최대 응력을 감소시키게 된다. 예시된 배치에서, 용기와 지지 요소(14) 사이의 최대치는 지지 요소와 용기의 저부(22) 사이가 바람직하다.
지지 요소(14)는 용기(12)에 연결되기 전에 가열되고, 팽창된다. 이것은 용기와 지지 요소간에 두 요소가 열적 균형에 도달하였을 경우에는 압력 맞춤(press-fit)이 제공되도록 한다. 단단한 결합은 조립체의 구조적 하중 수용력을 향상시키고, 압축 상태에서 지지 요소의 고리형 상부(32)에 용기의 실린더부(20)의 압력 맞춤은 기응력(pre-stress)을 용기에 줄 수 있다. 압축 상태에서의 용기의 기응력은 순차적으로 열적 싸이클 동안에 인장 응력의 최대치를 감소시키고, 따라서, 구조의 피로 저항을 더욱 향상시키게 된다.
지지 요소(14)와 용기(12) 사이의 열적 전도성을 향상시키기 위하여, 고온의 유향 수지(乳香樹脂)(mastic)층(55)은 용기와 지지 요소상의 베어링 표면(58)에 적용될 수 있다.
필요하다면, 하나 또는 그 이상의 스트랩(strap, 60)이 용기(12)의 실린더부(20)에 장착될 수 있으며, 지지 요소(14)의 상부 에지(edge, 62) 위에 하방으로 연장된다. 이러한 스트랩은 용기에 대하여 지지 요소의 상부를 유지하는 것을 도와주거나, 전단(shear)을 이동시키거나 하나에서 다른 하나로 들어 올린다.
지지 요소(14)는 다양한 방법으로 장착될 수 있다. 도면에 도시된 지지 요소는 지지 요소의 베어링부(40)의 저부에 위치한 역곡률을 구비한 연결부(72)에 용접된 상대적인 실린더 베이스부(70)를 구비한다. 다시, 일정 환경에서는 연결부를 원뿔에서 실린더 용접된 것으로 교체할 수 있다. 도시된 베이스부는 구성(76)에 베이스부가 장착되기도 한 일반적인 체어(chair, 74)를 구비한다. 다른 고정점 지지도 사용 가능하다.
예시된 목적을 위해 제공되는 본 발명의 다양한 실시예가 가능하다. 수정이나 변형은 당업자에게는 본 발명의 범위안에서 가능하다. 본 발명의 전체 범위는 청구항을 포함한다.
용기와 지지 요소간에 용접의 양을 줄이는 것은 결과적으로 피로를 줄일 수 있는, 보다 유연한 연결을 유발한다. 이것은 용접 수축으로 인한 응력을 감소시킬 수 있는데, 용접은 철에서 열 변성을 받는 영역을 유발하고 국지적 고응력을 유발하기 때문에, 피로 내성을 향상시키는데 도움이 된다.
용접을 이용하기보다는, 새로운 지지 요소가 베어링 및 마찰력에 의해 용기를 주로 지지하게 된다. 이것은 연결부 밑에 내측으로 테이퍼진 베어링을 포함하며, 용기의 저부의 기울기가 수반된다. 이 베어링부는 용기와 지지 요소간에 넓은 접촉 면적을 제공하며, 이것은 용기와 지지 요소간에 보다 일정한 온도 구배를 제공함으로써 용기와 지지 요소간의 열적 유발되는 응력을 감소시킬 수 있다. 보다 일정한 온도 구배는 구조의 피로 저항을 향상시키게 된다.

Claims (21)

  1. 500°F 정도 이상 변화하는 온도 사이의 열적 싸이클을 수행하며, 압력이 가해지는 용기를 지지하고 연결부 이하로 확장되는 경사진 저부를 구비한 용기를 지지하는 지지 요소를 구비하는 구조에 있어서,
    상기 지지 요소의 일부는 상기 용기의 연결부 밑에서 내측으로 테이퍼(taper)지며, 저부의 경사면과 연결되고 베어링 및 마찰력에 의하여 주로 용기를 지지하는 것을 특징으로 하는 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 용기의 실린더부의 일부를 감싸는 기응력(pre-stress)이 형성된 실린더부를 구비하는 구조.
  3. 제 1항에 있어서,
    용기와 지지 요소상의 베어링면 사이에 위치한 고온의 유향 수지(乳香樹脂)(mastic)층이 있는 것을 특징으로 하는 구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 연속된 스커트(skirt)벽이 형성된 구조.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 복수의 구조 부재상에 장착된 베어링 플레이트를 포함하는 구조.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 용기의 실린더부의 일부를 감싸는 고리형의 상측부를 구비한 구조.
  7. 제 1항에 있어서,
    용기와 지지 요소간의 접촉 최대점은 지지 요소와 용기의 경사진 저부 사이인 구조.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 용접 없이 용기를 지지하는 구조.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 용기상의 연결부에 용접없이 용기를 지지하는 구조.
  10. 제 1항에 있어서,
    하나 또는 그 이상의 스트랩(strap)이 지지 요소의 상측 에지(edge)로부터 아래로 연장되는 구조.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 용기의 경사진 저부에 인접한 역곡률(reverse-curvature)의 연결부로부터 아래로 연장된 베이스부를 구비하는 구조.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 용기의 경사진 저부로부터 아래로 연장된 실린더 베이스부를 구비하는 구조.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 지지 요소의 경사진 베어링부에 용접된 베이스부를 구비하는 구조.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 용기로부터 이격된 하나 또는 그 이상의 장착점 지지(support)로 연장된 구조.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 용기와 접촉되는 확대 영역을 구비하는 구조.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 최소 18 인치의 폭을 갖고 용기를 실질적으로 감싸고 접촉하는 고리형 베어링부를 구비하는 구조.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 용기는 코크 드럼(coke drum)인 구조.
  18. 제 1항에 있어서,
    용기는 최소 12 피트의 지름을 갖는 구조.
  19. 연결부 밑으로 연장된 저부를 구비한 압력이 가해지며, 500°F 정도 이상 변화하는 온도 사이의 열적 싸이클을 수행하는 용기를 제작하는 방법에 있어서,
    연결부 밑에 내측으로 테이퍼(taper)진 지지 요소를 제공하고, 용기의 저부의 경사에 연결하는 단계; 및
    베어링 및 마찰력에 의해 주로 지지되는 지지요소로 용기를 지지하는 단계;
    를 포함하는 용기를 제작하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    최소 지지 요소의 일부가 용기에 배치되기 전에 가열되고 팽창되는 것을 특 징으로 하는 용기를 제작하는 방법.
  21. 상기 제19항의 방법을 사용하여 제작된 구조.
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