劉銘剛，靳彥欣，萬古軍，李 勇，高凱歌

(中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

工業(yè)上的高溫高壓設(shè)備，如MTO、FCC反應(yīng)器的內(nèi)集氣室，其金屬殼體內(nèi)部覆蓋一層脆性的隔熱耐磨襯里，其與金屬殼體組成非線性的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在設(shè)備運(yùn)行過程中，隔熱耐磨襯里材料將出現(xiàn)范圍性的隔熱性能下降，稱為“襯里破壞”。襯里破壞將導(dǎo)致金屬殼體溫度上升，引發(fā)金屬殼體的高應(yīng)力現(xiàn)象，造成設(shè)備損壞[1-3]。本文選取內(nèi)集氣室模型中一段帶襯里的直筒體作為研究對(duì)象，以襯里的破壞范圍作為控制變量，研究襯里破壞程度對(duì)襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布的影響。

1 計(jì)算工況

“襯里破壞范圍”用來衡量襯里開裂或破碎的體積或面積[4-7]，它包括2個(gè)指標(biāo)參數(shù)——襯里的破壞高度和襯里的破壞厚度。

本文以內(nèi)集氣室內(nèi)壁直筒段的襯里-金屬結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，研究襯里破壞高度取96，288，480 mm，以及襯里破壞厚度取0(完好)，20%，40%，60%，80%，100%(隔熱功能喪失)時(shí)，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布變化規(guī)律。

2 襯里破壞范圍對(duì)襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布影響

2.1 襯里破壞厚度對(duì)襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布影響

圖1為設(shè)計(jì)溫度750 ℃，襯里破壞高度288 mm時(shí)，不同襯里破壞厚度下，內(nèi)集氣室內(nèi)壁襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布情況。

圖2為設(shè)計(jì)溫度750 ℃，襯里破壞高度分別為96，288，480 mm時(shí)，襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度影響規(guī)律隨襯里破壞厚度的變化規(guī)律。

圖1 不同襯里破壞厚度時(shí)襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布

從圖1和圖2可以看出，設(shè)計(jì)溫度為750 ℃、襯里破壞高度分別為96，288，480 mm時(shí)，隨著襯里破壞厚度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度逐漸升高。對(duì)每種襯里破壞高度，隨著襯里破壞厚度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度都存在上限。例如當(dāng)襯里破壞高度為96 mm且破壞厚度達(dá)到100%時(shí)，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的最大溫度為546 ℃，此種工況對(duì)應(yīng)實(shí)際工程中由于襯里施工的“施工縫”沒有處理好從而導(dǎo)致周圈襯里完全破壞的情況(襯里厚度小于100 mm)?？梢娨r里設(shè)備出現(xiàn)“施工縫”缺陷時(shí)，金屬殼體的溫度同樣存在上限，此結(jié)論驗(yàn)證了國(guó)外手冊(cè)中針對(duì)“施工縫”缺陷規(guī)定的溫度上限為550 ℃的科學(xué)性和適用性[8-10]。對(duì)于襯里破壞厚度為288，480 mm的情況，上述規(guī)律同樣存在。

2.2 襯里破壞高度對(duì)襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布的影響

圖3為設(shè)計(jì)溫度750℃，襯里破壞厚度為60%時(shí)，內(nèi)集氣室內(nèi)壁襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布隨襯里破壞高度的變化情況。

設(shè)計(jì)溫度為750 ℃時(shí)，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布隨襯里破壞高度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖2 襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度隨襯里破壞厚度的變化規(guī)律

從圖4和圖5可以看出，設(shè)計(jì)溫度750 ℃，襯里破壞高度一定時(shí)，隨著襯里破壞厚度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的最大溫度迅速增大。且當(dāng)襯里破壞厚度80%，襯里破壞高度分別為96，288，480 mm時(shí)，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的最大溫度分別為271，316，346 ℃。而在實(shí)際工程中，隔熱襯里破壞高度超過480 mm且破壞厚度達(dá)到80%以上的情況極難出現(xiàn)。所以在設(shè)計(jì)襯里設(shè)備金屬殼體強(qiáng)度時(shí)，選取350 ℃為極限溫度條件是有根據(jù)的和適用的，這也驗(yàn)證了國(guó)外手冊(cè)中襯里破壞決策書中的溫度極限下限[11]。

3 結(jié)論

a) 設(shè)計(jì)溫度為750 ℃時(shí)，隨著襯里破壞厚度和破壞高度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度逐漸升高，且存在溫度上限。

b) 設(shè)計(jì)溫度為750 ℃時(shí)，襯里破壞高度小于100 mm的情況，對(duì)應(yīng)襯里設(shè)備施工過程中的“施工縫”缺陷，此時(shí)隨著襯里破壞厚度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度增高，最大溫度為546 ℃，驗(yàn)證了國(guó)外手冊(cè)中針對(duì)“施工縫”缺陷規(guī)定的溫度上限為550 ℃的科學(xué)性和適用性。

圖3 不同襯里破壞高度時(shí)襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布

圖4 襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布隨襯里破壞高度的變化規(guī)律

c) 設(shè)計(jì)溫度為750 ℃時(shí)，對(duì)襯里破壞厚度小于60%的情況，金屬殼體溫度呈緩慢增加趨勢(shì)；當(dāng)襯里破壞厚度超過80%時(shí)，金屬殼體溫度迅速上升，最高溫度為346℃，證明了在設(shè)計(jì)襯里設(shè)備金屬殼體強(qiáng)度時(shí)，國(guó)外手冊(cè)中襯里破壞決策書中選取350 ℃為極限溫度條件的科學(xué)性和適用性。