馬麗濤

(中國石油天然氣股份有限公司大慶石化公司煉油廠,黑龍江 大慶 163711)

某煉油廠100萬 t/a重油催化裝置1992年10月建成并投產(chǎn),目前已經(jīng)連續(xù)服役超過25年。其煙機(jī)入口高溫?zé)崃艿烙捎诟邷?、熱壁、大膨脹量等技術(shù)特點(diǎn),運(yùn)行過程中一直是設(shè)備維護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)。煙機(jī)入口管道公稱直徑為DN1200,操作溫度為660 ℃,操作壓力為0.23 MPa,操作介質(zhì)為高溫?zé)煔?材質(zhì)為304,具體尺寸、膨脹節(jié)及固定支架位置如圖1所示。煙機(jī)入口管道主要由高溫閘閥、高溫蝶閥、膨脹節(jié)、彎頭、直管和法蘭等管件組成,在閘閥、蝶閥兩側(cè)分別設(shè)置支架用于支撐水平管道,安裝過程中在水平及垂直兩個(gè)方向上有兩處預(yù)拉伸接口。

1 煙機(jī)入口管道存在的問題

煙機(jī)入口管道投運(yùn)過程中,管壁溫度從室溫上升至操作溫度660 ℃左右,管道受熱膨脹,膨脹伸長量靠膨脹節(jié)吸收。該部位約束型膨脹節(jié)無法完全吸收膨脹量,需要配合管道安裝的預(yù)拉伸進(jìn)行吸收。該管道在冷態(tài)和熱態(tài)操作環(huán)境下管道膨脹節(jié)固定鉸鏈板和彎頭焊口部位存在較嚴(yán)重的受力問題,導(dǎo)致煙機(jī)入口管道90°彎頭的焊口受力開裂(如圖2所示),上部膨脹節(jié)固定鉸鏈板根部焊口受力開裂,現(xiàn)場(chǎng)造成高溫?zé)煔獯罅啃孤?直接威脅裝置安全生產(chǎn)。

煙機(jī)入口高溫蝶閥法蘭連接部位在運(yùn)行過程中出現(xiàn)煙氣泄漏,并且經(jīng)過25年多的長期服役,該部位螺栓被高溫氧化,出現(xiàn)大量氧化皮且表面開裂剝落,現(xiàn)場(chǎng)情況如圖3所示。該法蘭連接部位螺栓所能提供的預(yù)緊力難以滿足法蘭密封所需要的密封比壓,現(xiàn)場(chǎng)多次出現(xiàn)泄漏問題,螺栓存在失效風(fēng)險(xiǎn),附屬管件、閥門均需要定期更換。

圖3 煙機(jī)入口高溫蝶閥法蘭螺栓受高溫氧化

煙機(jī)入口管道熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力直接作用于煙機(jī),造成煙機(jī)管口受力較大,并且煙機(jī)開機(jī)后導(dǎo)致振動(dòng)幅值升高接近報(bào)警值。煙機(jī)管口受力影響煙機(jī)振動(dòng)的敏感性。在煙機(jī)開機(jī)初期葉片少量結(jié)垢的情況下,短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)階躍式振動(dòng)波動(dòng),導(dǎo)致煙機(jī)振動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī),進(jìn)而影響整個(gè)裝置的安全運(yùn)行。所以煙機(jī)入口管道膨脹量必須進(jìn)行定量監(jiān)測(cè),管道受力問題必須得到治理。

2 煙機(jī)入口管道的形變與受力

2.1 煙機(jī)入口管道的形變

煙機(jī)入口管道的設(shè)計(jì)一般有兩種結(jié)構(gòu)型式,一是平面三鉸鏈設(shè)計(jì),二是空間三鉸鏈設(shè)計(jì)。平面三鉸鏈設(shè)計(jì)是利用3個(gè)膨脹節(jié)吸收平面Z字形高溫管道形變,有時(shí)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)采用兩個(gè)平面Z字形三鉸鏈設(shè)計(jì)滿足管道熱膨脹要求;空間三鉸鏈設(shè)計(jì)是利用3個(gè)膨脹節(jié)吸收三維空間Z字形高溫管道形變。后者管道受力情況更為復(fù)雜,管道受熱膨脹后兩側(cè)的固定端受力更大。本文所述裝置中的煙機(jī)入口管道屬于后者。

三維空間Z字形高溫管道的膨脹可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)平面內(nèi)Z字形管道的膨脹疊加,如圖4所示,煙氣管道受熱后膨脹,豎直管段伸長向下膨脹,推動(dòng)水平單式鉸鏈型膨脹節(jié)發(fā)生角變形;水平管道受熱膨脹,推動(dòng)豎直兩處萬向鉸鏈型膨脹節(jié)發(fā)生反向角變形,簡(jiǎn)化的模型變形情況如圖5所示。

圖4 煙機(jī)入口管道膨脹示意

圖5 煙機(jī)入口管道簡(jiǎn)化模型變形情況

2.2 煙機(jī)入口管道的受力

根據(jù)管道受熱產(chǎn)生的形變位移與管道內(nèi)受熱應(yīng)力關(guān)系可知,在一定范圍內(nèi)位移越大,應(yīng)力越大,所以除膨脹節(jié)吸收變形量外,主要受力的4個(gè)部位有:三旋管口、下部90°彎頭靠近豎直膨脹節(jié)側(cè)、高溫閘閥靠近水平膨脹節(jié)側(cè)以及煙機(jī)管口。管道所承受熱應(yīng)力的大小受3臺(tái)約束型膨脹節(jié)吸收位移能力影響,同時(shí)也受管道自身熱膨脹性能、管道設(shè)計(jì)預(yù)拉伸量和約束支撐擺向支架的影響。由于三維空間Z字形高溫管道布置產(chǎn)生水平方向垂直于煙機(jī)的橫向應(yīng)力,該部分應(yīng)力可以直接造成約束支撐和擺向支架橫向受力,導(dǎo)致約束支撐彎曲和擺向支架開裂(見圖6),進(jìn)而導(dǎo)致管道受熱應(yīng)力反向膨脹(指向煙機(jī)),并且產(chǎn)生相應(yīng)的反向形變位移變化,所以煙機(jī)入口管道升溫、降溫過程的位移可以直接反映出煙機(jī)管口受力和管道、支架各個(gè)部位的受力情況。

圖6 煙機(jī)入口擺向支架受力變形及開裂情況

3 煙機(jī)入口管道熱膨脹的位移監(jiān)測(cè)

3.1 煙機(jī)入口管道熱膨脹位移的分析計(jì)算

煙機(jī)入口管道預(yù)熱升溫過程中,隨著溫度升高會(huì)產(chǎn)生熱位移Δ(單位:mm),其大小與溫度差Δt、煙機(jī)入口管道長度L、操作溫度下的單位線膨脹系數(shù)α有關(guān)。利用單位線膨脹系數(shù)計(jì)算熱位移較為簡(jiǎn)便,溫度差Δt可以通過查表得到【1】,其計(jì)算公式為:

Δ=αL

式中:α——鋼材在使用溫度下的單位線膨脹系數(shù),mm/(mm·℃);

L——煙機(jī)入口管道長度,mm。

煙機(jī)預(yù)熱初始溫度一般在30～90 ℃,可以選定初始溫度為50 ℃,煙機(jī)預(yù)熱至500 ℃開始升速,熱膨脹在650 ℃到達(dá)峰值,按照煙機(jī)入口管道熱膨脹監(jiān)測(cè)標(biāo)尺布置1～5號(hào)標(biāo)尺位置(如圖7所示),計(jì)算煙機(jī)入口溫度與監(jiān)測(cè)點(diǎn)理論熱位移,結(jié)果如表1所示。從理論計(jì)算結(jié)果可以看出,650 ℃時(shí)水平3號(hào)標(biāo)尺理論位移為162.60 mm,5號(hào)標(biāo)尺為198.27 mm,實(shí)際監(jiān)測(cè)中如果該處位移未膨脹到位,則可直接導(dǎo)致煙機(jī)管口受力。

表1 煙機(jī)入口管道熱位移理論計(jì)算數(shù)據(jù)

圖7 煙機(jī)入口管道熱膨脹監(jiān)測(cè)1～5號(hào)標(biāo)尺布置

3.2 煙機(jī)入口管道熱膨脹位移的定量監(jiān)測(cè)方法

為定量研究實(shí)際煙機(jī)入口管道膨脹位移狀態(tài),經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行探索,依托煙機(jī)入口管道導(dǎo)向板、限位滑銷焊接標(biāo)尺,制作定位標(biāo)尺。1號(hào)標(biāo)尺具體監(jiān)測(cè)示意如圖8和圖9所示。在兩處限位滑銷處布置1號(hào)、2號(hào)標(biāo)尺,檢測(cè)高溫閘閥、高溫蝶閥兩側(cè)管道水平方向熱膨脹量,在限位滑柄處布置3號(hào)標(biāo)尺,檢測(cè)彎頭下側(cè)管道水平膨脹量,在彎頭上側(cè)布置4號(hào)、5號(hào)標(biāo)尺,測(cè)量豎直管道水平X、Y方向擺動(dòng)位移量。

圖8 煙機(jī)預(yù)熱后沖轉(zhuǎn)速時(shí)1號(hào)標(biāo)尺監(jiān)測(cè)示意

圖9 煙機(jī)停運(yùn)時(shí)冷卻時(shí)1號(hào)標(biāo)尺監(jiān)測(cè)示意

圖10 煙機(jī)入口管道滾珠盤支架示意

讀取現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)尺所指示的實(shí)際讀數(shù),對(duì)煙機(jī)入口溫度50 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃的熱膨脹量進(jìn)行監(jiān)測(cè),詳細(xì)記錄管道的熱膨脹數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)表,如表2所示。由表2可見,600 ℃時(shí)3號(hào)標(biāo)尺的實(shí)際位移為107 mm,5號(hào)標(biāo)尺為183 mm,而3號(hào)標(biāo)尺和5號(hào)標(biāo)尺的理論計(jì)算值分別為148.43 mm和180.99 mm。上述監(jiān)測(cè)結(jié)果說明:3號(hào)標(biāo)尺位置水平管道未膨脹到位,直接導(dǎo)致煙機(jī)管口受力:5號(hào)標(biāo)尺膨脹過量,導(dǎo)致彎頭部位膨脹節(jié)受力較大,造成焊口開裂。

表2 煙機(jī)入口管道熱位移實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 煙機(jī)入口管道存在問題的治理

通過對(duì)實(shí)際煙機(jī)預(yù)熱過程中熱位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)煙機(jī)入口管道主要問題是水平管道熱膨脹不到位,主要體現(xiàn)為水平管道擺向支架和限位銷的卡澀或卡頓,同時(shí)煙機(jī)入口管道運(yùn)行超過25年,管道和附屬部件存在明顯的高溫蠕變,材料的劣化影響了管道的使用性能【2】。改進(jìn)擺向支架的設(shè)計(jì)和對(duì)管道進(jìn)行更新是解決問題的主要措施。

4.1 改進(jìn)擺向支架形式

擺向支架可將煙機(jī)入口管道熱膨脹轉(zhuǎn)化為支架的擺動(dòng),其頂部扇形支撐柄為主要承力點(diǎn),支撐柄底部軸為滑動(dòng)干摩擦。隨著使用時(shí)間的延長,管道變形、滑動(dòng)干摩擦處生銹可直接導(dǎo)致管道膨脹受阻,使得擺向支架出現(xiàn)圖6中所示的承力點(diǎn)變形,從而導(dǎo)致扇形支撐柄在溫度升降前后不擺動(dòng)【3】。而滾珠盤支架結(jié)構(gòu)的支撐底部固定,承力點(diǎn)采用活動(dòng)滾柱,將滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦,可有效避免上述問題出現(xiàn)。因此,采用滾珠盤支架對(duì)煙機(jī)入口4處擺向支架進(jìn)行了更換。

4.2 制定煙機(jī)入口管道更換工序

煙機(jī)入口管道的更換主要有9道工序(如圖11 所示),以煙機(jī)停機(jī)為起點(diǎn),煙機(jī)正常開機(jī)為終點(diǎn),具體方法為:

圖11 煙機(jī)入口管道更新9道工序示意

1) 為保證管道受熱后膨脹至當(dāng)前的相近位置,冷態(tài)管道的配管空間位置應(yīng)該與當(dāng)前位置接近,所以更換管道的第一步就是將煙機(jī)停機(jī)后短接拆卸,并對(duì)冷態(tài)管道進(jìn)行標(biāo)識(shí),作為新管道配管的位置依據(jù)。

2) 拆除附屬管線,并對(duì)預(yù)熱線部位進(jìn)行保護(hù)性拆除,此外,還需提前進(jìn)行儀表的保護(hù)拆除。

3) 煙機(jī)檢修和導(dǎo)流錐安裝工序復(fù)雜,需要時(shí)間較長,所以煙機(jī)檢修必須給出詳細(xì)的時(shí)間節(jié)點(diǎn),不可延誤配管進(jìn)度。

4) 從煙機(jī)側(cè)開始配置管線。水平預(yù)留的118 mm預(yù)拉口提前用螺栓固定,并配管就位。此步安裝管線的水平度異常關(guān)鍵,測(cè)量水平度的儀器不可過于簡(jiǎn)陋,按照設(shè)計(jì)要求應(yīng)該使用千分表。

5) 豎管安裝。將豎直管段預(yù)留的160 mm預(yù)拉口提前固定好,并將管道安裝就位。此步安裝管道的垂直度同樣異常關(guān)鍵,測(cè)量垂直度的儀器不可過于簡(jiǎn)陋,按照設(shè)計(jì)要求同樣應(yīng)該使用千分表,與冷態(tài)管道的標(biāo)識(shí)進(jìn)行比對(duì)參照。

6) 拆除3個(gè)膨脹節(jié)的限位螺栓、限位板。膨脹節(jié)解除限位后就可以產(chǎn)生相應(yīng)的角變形。此步必須保證全部限位得到拆除,否則將給后續(xù)管道強(qiáng)力預(yù)拉留下隱患。

7) 進(jìn)行水平、豎直方向管道的拉伸對(duì)接組焊,拆除前期加裝的固定組件,觀察膨脹節(jié)的膨脹角變形是否按照預(yù)想的方向進(jìn)行。

8) 附屬管線的就位安裝,包括儀表、管道標(biāo)尺的恢復(fù)。

9) 檢查主要管道內(nèi)部是否有雜物、零部件的殘留,從管道內(nèi)部復(fù)查焊口部位;現(xiàn)場(chǎng)組焊焊口部位應(yīng)100%射線拍照合格,并保證煙機(jī)開機(jī)各項(xiàng)參數(shù)正常。

4.3 更換煙機(jī)入口管道

煙機(jī)入口管道使用超過25年,管道和附屬部件存在明顯的高溫蠕變,管道熱膨脹后難以達(dá)到預(yù)設(shè)的運(yùn)行膨脹效果,導(dǎo)致煙機(jī)管口受力和管件受力。定期更換煙機(jī)入口管道能夠較好地解決上述問題。運(yùn)行多年的老裝置更換難度明顯高于新建裝置,主要表現(xiàn)在舊分段拆除、新管道分段預(yù)制組對(duì)方面。為保證工期、施工質(zhì)量和施工安全,合理的分段拆除和預(yù)制尤為重要。本文所述裝置中DN1200煙機(jī)入口管道分段組對(duì)示意如圖12所示。利用短接、高溫閘閥、高溫蝶閥、膨脹節(jié)、設(shè)備管口對(duì)該管道進(jìn)行分段,共分為13段,并按照要求留出預(yù)拉伸口,進(jìn)行安裝就位后的預(yù)拉伸?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際組裝方法是從煙機(jī)側(cè)水平組裝,豎管段11、12、13組裝后統(tǒng)一吊運(yùn)就位。安裝難度主要體現(xiàn)在三級(jí)旋風(fēng)分離器框架的沉降、煙機(jī)殼體變形管口中心偏移,以及最后在管道組對(duì)時(shí)的合口校準(zhǔn)。

5 結(jié)語

本文對(duì)煙機(jī)入口高溫?zé)崃艿赖呐蛎泦栴}進(jìn)行深入分析,探索出一種科學(xué)實(shí)用的定量管道熱位移監(jiān)測(cè)方法。這種方法在該煉油廠140萬t/a重油催化裝置、200萬t/a重油催化裝置得到推廣應(yīng)用。通過制定科學(xué)合理的管道更換工序和擺向支架改進(jìn)措施,使煙機(jī)入口管道存在的問題得到治理,生產(chǎn)隱患得以消除,為煙機(jī)乃至整個(gè)裝置長周期平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力保障。