（化工过程机械专业论文）龟甲网在高温下的变形模拟研究.pdf

人迮理i ：人学硕十学位论文 摘要 龟甲网是石化行业催化裂化装置的蘑要部干1 ：，由于操作条件的苛刻，容易出现超温 条件下由于强度问题引起的鼓包变形、断裂等多种失效，因此对它进行全砸的高温下的 结构分析具有十分晕要的实际意义。本文以弹塑性力学和热力学为基础，对实际应用的 龟甲网进行分析，着蕈研究了龟甲网超温条件下的热变形。根据有限单元法理论，建立 了龟甲网有限元模7 借助功能强大的有限元分析软件a n s y s 对龟甲网进行各丰要操作 阶段的温度场分析，同时对边界伞约束和边界部分约束条件卜，龟甲网的变形情况做了 分析比较。得出龟甲网在超温条件下的鼓包变形规律。包括： ( 1 ) 介绍了国内关于龟甲网及其相关方嘶的研究现状，列举了一些围内龟甲网损毁 的案例，分析了龟甲网损毁的冈素，为龟甲网高温下变形研究提供立题依据。 ( 2 ) 研究了a n s y s 中龟甲网的有限元模型建立方法，研究了有关热一结构分析的相 哭理论，并对不同儿何形状、载荷条件卜i 的龟甲网进行r 模拟计算，编写了桐关前后处 理程序。 ( 3 ) 计算了边界全约束条件f ，t 芏7 6 0 、8 0 0 、8 5 0 、8 8 0 、9 0 0 的超温条 件下龟甲网的变形情况，分别得出了不同面积龟甲网的变形数据和拟合公式。例如： 当焊点脱落面积在o ，1 s 0 3 左右时，在龟甲网的厚度z 方向有少量变形，变形 量在5 m m 左右，x yi | ；面内基本没有变形。 当焊点脱落面积在o 3 s 0 6i l l 2 t r , j ，在龟甲网的厚度z 方向有明显变形，变形量 大于2 0 m m ，x y 平面内有扭曲变形，在2 n m a 左右。 肖焊点脱落面积达n 0 6 s l m 2 时，在龟甲网的厚度z 方向的变形明显，在3 0 m m 以上，x ，y i f 砸内有打l 曲变形，存2 m m 左右。 ( 4 ) 计算了边界部分约束条件f ，在7 6 0 、8 0 0 、8 5 0 、8 8 0 、9 0 0 的超温 条件下龟甲嘲的变形情况，分别得出了不问面积龟甲网的变形数据和拟合公式。例如： 当焊点脱落面积在0 1 5 s 0 3m 2 左右时，在龟甲网的厚度方向有少量变形，变 形量在4 6 m ma 右。 当焊点脱落而积在0 3 s 0 6m 2h , j ，在龟叶f 嘲的厚度z 方向有明显变形，变形量 大丁2 0 3 0 m m ，x _ y 平而内有扭曲变形，在2 r a m 左右。 当焊点脱落哂积达到0 6 s lm 2 时，在龟甲嘲的厚度z 方向的变形明显，在 3 0 4 0 m m 队i ：，x y 平面内有扭曲变形，在2 r a m 左右。 关键词：龟甲网；有限单元法；温度场；热变形 龟甲网在高温r 的模拟研究 s i m u l a t i o ns t u d yo nt h en e tt o r t o i s es h e l ld e f o r m a t i o n u n d e rh i g ht e m p e r a t u r e a b s tr a c t t h en e tt o r t o i s e s h e l li st h ei m p o r t a n tp a r to fc a t a i y t i ce q u i p m e n ti nt h ep e t r i f yi n d u s t r y ， a sar e s u l to f o p e r a t i n gc o n d i t i o nh a r d n e s s ，i ti se a s yt oa p p e a rm a n yk i n d so fe x p i r a t i o ns u c h a sd e f o r m a t i o n , b r e a ka n ds oo nu n d e rt h eu l t r at e m p e r a t u r ec o n d i t i o nb e c a u s ei n t e n s i t y q u e s t i o n 。t h e r e f o r ec a r r i e so ni t ss t r u c t u r ea n a l y s i sh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eu n d e r c o m p r e h e n s i v eh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n t h i sa r t i c l et a k et h em e c h a n i c so fp a s t i c i t ya n d e l a s t i c i t ya n dt h e r m o d y n a m i c sa saf o u n d a t i o n , a n dc a r r i e so nt h ea n a l y s i st ot h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o nn e tt o r t o i s es h e u e m p h a t i c a l l yh a ss t u d i e dt h e r m a ld e f o r m a t i o no fn e tt o r t o i s e s h e l lu n d e rt h eu l t r a t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h el i m i t e du n i tt h e o r y h a s e s t a b l i s h e dt h en e tt o r t o i s es h e l lf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，c a r r i e so nt h et e m p e r a t u r ef i e l do fe a c h m a i no p e r a t i o ns t a g ew i t ht h ea i do ff u n c t i o nf o r m i d a b l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s s i m u l t a n e o u s l yh a sm a d et h ea n a l y s i sc o m p a r i s o nt ot h en e tt o r t o i s e s h e l l d e f o r m a t i o ni nt h ed i f f e r e n tr e s t r a i n tc o n d i t i o n o b t a i n sd e f o r m a t i o nr u l eo ft h en e tt o r t o i s e s h e l lu n d e ru l t r at e m p e r a t u r ec o n d i t i o n i n c l u d i n g ： ( 1 ) i n t r o d u c e sd o m e s t i cr e s e a r c hs i t u a t i o na b o u tt h en e tt o r t o i s es h e l l ，h a se n u m e r a t e d t h ec a s ew h i c hs o m ed o m e s t i ct h en e tt o r t o i s e s h e l ld a m a g e s h a sa n a l y z e dt h ef a c t o rw h i c h t h en e tt o r t o i s es h e l ld a m a g e s ，p r o v i d et h et o p i cb a s i sf o rt h er e s e a r c ho f t h en e tt o r t o i s es h e l l i nt h eh i g ht e m p e r a t u r e ( 2 ) 1 、h em e t h o do f b u i l d i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h en e tt o r t o i s es h e l l i ss t u d i e d t h eh o t s t r u c t u r ea n a l y s i sr e l a t e dt h e o r yi ss t u d i e d ，a n dc a r r i e so nt h es i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n u n d e rt h ed i f f e r e n tg e o m e t r ys h a p ea n dt h el o a dc o n d i t i o no ft h en e tt o r t o i s es h e l l ，h a s c o m p i l e dt h ec o r r e l a t i o nt h ed i s p o s a lp r o c e d u r e ( 3 ) h a v ec a l c u l a t e dd e f o r m a t i o no f t h en e tt o r t o i s es h e l la t7 6 0 ，8 0 0 ，8 5 0 ，8 8 0 ， 9 0 0 。ct e m p e r a t u r ec o n d i t i o nw h e nt h e n e tt o r t o i s e s h e l li sf i x e du pf i r m l y ，a n dg i v et h e d e i b r m a t i o nd a t aa n df o r m u l ao f t h en e tt o r t o i s es h e l la td i f f e r e n ta r e a s i n c l u d i n g ： ，i l e nt h ea r e ao ft h es p o tf a l l so n 、i sb e t w e e n0 1a n d0 3i l l 2 h a st h ef e w d e f o r m a t i o n si nt h en e tt o r t o i s e s h e l lt h i c k n e s szd i r e c t i o n t h ed e 南r m a t i o n sq u a n t i t ya b o u t 5 m m 。i nt h ex - yp l a n eh a sn o td e f o r m a t i o n s 人连理i ：人学倾f 学位沧义 ( 砂、枷e l lt h ea r e ao ft h es p o tl i d l so f fi sb e t w e e n0 3a n d06m 2 ，h a st h eo b v i o u s d e f o r m a t i o n si nt h e n e tt o r t o i s es h e l lt h i c k n e s szd i r e c t i o n ，t h ed e l b r m a t i o n sq u a n t i t yi sb i g g e r t h a n2 0 m m ，j f lt h ex yp l a n eh a st h ed i s t o r t e dd e f o r m a t i o n s ，a b o u t2 m m ( 匐w h e nt h ea r e ao l t h es p o ti h l l s0 f fi sb e t w e e n l 6a n d1i n 2 j th a so b v i o u s d e t b r m a t i o n si nt h en e tt o r t o i s es h e l lt h i c k n e s szd i r e c t i o n 、a b o v e3 0 r a m i nt h ex vp l a n eh a s t h ed i s t o r t e dd e f o r m a t i o n s a b o u t2 r a m ( 4 ) h a v ec a l c u l a t e dd e t 0 r m a t i o no f t h en e tt o r t o i s es h e l la t7 6 0 ，8 0 0 ，8 5 0 8 8 0 9 0 0 。ct e m p e r a t u r ec o n d i t i o nw h e nt h en e tt o r t o i s es h e l li st i x c du pp a r t l y ，a n dg i v et h e d e f o r m a t i o nd a t aa n df o r m u l ao f t h en e tt o r t o i s es h e l la td i f f e r e n ta r e a s 1 n l u d i n g ： w h e nt h ea r e ao i t h es p o t1 h l l s0 盯i sa b o u tb e t w e e n0 15a n d0 31 1 1 2 ，h a st h ef e w d e f o r m a t i o n si nt h en e tt o r t o i s es h e l lt h i c k n e s szd i r e c t i o n t h ed e f o r m a t i o n sq u a n t i t ya b o u t 5 m m ，i nt h ex yp l a n eh a sn o td e f o r m a f i o n s w h e nt h ea r e ao ft h es p o tf a l l so f fj sb e t w e e no 3a n do 6m 2 ，h a st h eo b v i o u s d e f o r m a t i o n si nt h cn e tt o r t o i s es h e l lt h i c k n e s szd i r e c t i o n ，t h ed e f o r m a t i o n sq u a n t i t yi sb i g g e r t h a n2 0 m m 。i nt h ex yp l a n eh a st h ed i s t o r t e dd e f o m a a t i o n s a b o u t2 m m ( 固w h e f lt h ea r e ao ft h es p o tf a i l so f f li sb e t w e e n0 6a n dlm 2 ，i th a so b v i o u s d e f b r m a t i o n si f lt h en e tt o r t o i s es h e l lt h i c k n e s szd i r e c t i o n a b o v e3 0 m m i nt h ex yp l a n eh a s t h ed i s t o r t e dd e f o r m a t i o n s ，a b o u t2 m m k e yw o r d ： n e tt o r t o i s es h e l l ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； t h e r m a ld e f o r m a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：木硕+ 学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 r 大学或者其他单位的学位或证书所使j _ j 过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：f 当重日期：狸：i ：兰f 人连理一火学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 f 习重 刍：童区 立堕年月业同 人连瑾1 人学硕+ 学位论文 引言 龟甲网j 。泛应用于石油化 ：大型装置，是衬罩结构的主要配件之一，与耐磨衬犟和 保温衬罩组合存隔热和抗冲刷方面取得了良好的效果。但是随着催化裂化工艺的发展， 尤其是掺炼重油，再牛器的温度山过去的6 0 0 。c 左右，提高到7 0 0 7 5 0 。c ，龟甲网隔热 酬磨衬罩的缺点明显地暴露出来，m 于简体与龟甲网的热膨胀系数与导热率不同，再生 器内温度发f i 急剧变化，衬罩骨架的焊接接头在叠加内外应力的作用下极易断开，产生 裂缝或鼓包变形，造成设备局部过热，并对旋风分离器造成，一重的磨损“，甚至有脱 落的龟甲网和衬罩碎片被吸入烟机pj ，”重的造成非计划停 。 对有龟甲网衬爨，衬取骨架由柱状锚固钌，端板和龟甲网组合焊接而成，锚崮钉和 端板材质通常采用q 2 3 5 ，a 和0 c r l 9 n i 9 等材料，龟甲网材质通常采用0 c r l 3 、1 c r l 3 等。 0 c r l 3 属铁素体f i 锈铡龟甲网，当采用与其化学成份1 j 机械强度相近的铁索体不锈钢焊 条焊接时，焊缝和热影响区会同时硬化变脆，产生冷裂纹，龟甲网对接接头容易开裂。 只有奥氏体一铁素体双相组织的焊逢在6 0 0 9 0 0 的 ：作环境中长时川运行，容易 析m ( t 相，h 温度越靠近上限( 5 0 0 以_ j ：，9 0 0 以下) ，加热时问越长，d 相的析出越 容易，将引起很大的脆性。而催化再生器及外循环管的操作温度恰恰在6 0 0 7 5 0 之 问，极有利于旺相的析出，造成氇甲嘲对接接头在应力作用下断裂。在循环f = 作温度卜 l ：作时，尤其是升温降温时，由于膨胀系数不同，在熔合区产生剪应力，也使得焊接接 头提前破坏一。1 。 针对这一问题，我围从8 0 年代以来开发、研制了无龟网钢纤维增强单双层衬取， 在再生器、沉降器等犬直径设备上成功地取代了有龟甲酬衬里i 7j ，单层无龟甲网隔热耐 磨衬罩，既隔热义耐磨，适用于气流流速较低的高温操作部位，例如再生器等设备的壳 体。近年来，山于高强度单层衬早材料的丌发，单层衬单也能适用于流速较高的斜管和 提升管y 型部位等处。这种衬里的最大优点是结构简单、整体性好、旌工j 】：期短两使用 周期长、不会出现鼓包现象。但是仍然有相当数黾的石化设备依然采用龟甲网衬坦，龟 甲网的丌裂和鼓包脱落时有发生，刁能保证装置长周期运行。 对于龟甲网鼓包变形问题，目前困内尚缺乏足够的研究，基本上还停留在以经验为 依据的水平上。因而对其进行分析及研究就疑得尤为重要，并且时提高我囫催化裂化装 置长周期运行具有重要意义f 8 j 。 随着计算机技术的发展，有限冗方法成为种行之有效的分析手段。本文即是根掘 有限元原理，利j = | 有限元计算分析软什对龟甲网超温变形进行有限元分析，归纳得到工 程实际需要的结论，片j 以进行安全评定、寿命评估【9 】。 龟甲网在高温一卜的横蝴f 究 1 文献综述 龟甲网广泛应用于石油、化工大型装置，是衬早结构的主要配件之一，与耐磨衬里 和保温衬罩组合，在隔热和抗冲刷方面取得了良好的效果。但是由于龟甲网长期在商温 气体和催化剂冲刷的恶劣环境下使用j 翼也成为石化设备中比较容易损坏的部件之一， 经常需要大面积更换，给使用单位造成了很大损失【1 0 - 1 2 j 。基于龟甲网使用中所遇到的破 坏情况，研究其损坏的原因，提出合理的安全使用和防护、维修方案对于石化行业长周 期装霞的安全，高效运行来说意义重大。为此，有部分学者进行了此方面的研究，但都 停留在定性方面的研究。 本文介绍了国内有关龟甲网研究的最新进展。对龟甲网的破坏形式进行了评述，介 绍了钮甲网在使用过程中存在的问题，以及龟甲网损坏的原因。通过文献的评述，确立 了本文的研究方向。 1 。1 龟甲网的应用及存在的问题 1 11 龟甲网的应用 六角形龟甲网是应用最为广泛的结构，它是用2 0 1 7 5 m m 等规格的扁钢带制成的 六角形格，六边均有孔相互联通，易弯曲，将其点焊在旋风分离器或筒体内壁后，浇注 耐磨衬罩，能够提高衬罩的耐磨性能和强度。六角形龟甲网，明显通增强了与衬翠材料 的锚固能力，又由于梯形波状钢带两腰处的泥爪相对 应的连结孔，扩大了龟甲网相邻的两个呈内六角形孔 之间的连结面积，从而有效地增强了衬罩材料自身的 连结性能，可以控制耐热保温层容易起皮和脱落的现 象，提高衬里材料的结合牢度。提高了龟甲网使用寿 命，减小了生产事故的发生，提高经济效益。设备一 般部位用碳钢( q 2 3 5 一a ) 龟甲网、如反应器及一、二级 旋风分离器、再生器烟道等处，高温部位用合余 ( 1 c r l 3 ) 龟甲网，如再生器及一、二级旋风分等处。( 龟 甲网如图1 1 所示) 0 3 幽1 1 龟甲网 f i 器1 1n e tt o r t o i s eg h e l l 2 人连理l 。人学硕寸：学位论文 催化裂化足石油加工的主要手段之一，它以重油( 或渣油) 为原料生产汽油，柴抽等 轻质j * 品，其核心设备为反应器与再生器，简称为“两器”，催化裂化装置具有高温、 冲刷、磨损、腐蚀的工艺特点。设计中采用设备内设隔热一耐磨衬里，其目的足： ( 1 ) 隔热、减少热量损失及避免外壁温度过高； ( 2 ) 耐磨、保护隔热层或会属不受流化状态的催化剂颗粒的磨损。 采_ j 这种“冷壁”设计的意义为： ( 1 ) 设备壁面温度低； ( 2 ) 降低了热膨胀及热成力； ( 3 ) 允许采丌】较高的设计y i ：用成力，可减小会属材料厚度； ( 4 ) 设备壳体材质用普通碳钢即可满足工艺要求，而不用选择造价高的俐热钢材； ( 5 、延长设备使j j 寿命。 按衬里的结构型式，t 要分为有龟甲网衬单及无龟叶l 网衬晕( 带锚固钉) 等两大类。 钢纤维增强的衬取是后者的改进型。由r 钢纤维的增强作用，衬里的强度、可靠性等有 了很大的提高。f “口催化裂化装置的主要设备仍采用的是有龟甲嘲的隔热耐磨双层衬晕 型式。 日| j 国内大多数炼一的催化裂化装置的主要设备巾采用的是有龟甲网的隔热耐磨 双层衬罩型式。 催化裂化装置反应器某处隔热一耐磨双层衬单，其骨架山保温钉，端板，龟甲网及加 固钢丝组成。保温钉可用1 2 m m 圆钢( 材质为o c r 3 ) ，长度可由所需衬里的厚度来确定； 端板材质为o c r l3 ，端板固定在保温钉上，在中心孔处与保温钉塞焊。在龟甲网铺设前， 先按壳体的曲率进 j 二卷制，要求卷制的方向与钢带轧制的方向一致，否则将会造成很大 的内应力，在高温卜| 加速衬罩的破坏 。通常，在成嘲后用0 3 m m 俐丝从龟甲网钢带的 孔中穿过j l j 圃。般选用不锈钢钢丝，以避免高温卜钢丝表而产生氧化皮，体积增大引 起衬罩的破坏。针对以上问题，f u 采用阻下方法： ( 1 ) 加强衬罩构件焊接质量控制，确保保温钉、端板、龟甲网问焊接接头的可靠性： ( 2 ) 龟甲网接头处加焊一条s = 2 m m 的钢带，增大龟甲网问的抗拉脱力； ( 3 ) 降低衬罩构件焊的线膨胀量。具体方法是沿设备纵向在容器内壁每隔一段距离 加设一个油。e 阻挡圈，这样，温差作用下产生的线膨胀量就可以分成若干段，衬里被破 坏的i ；i ：r 能性大大减小，而且增加了龟甲网与设备问的焊点圈： ( 4 ) 采用新型衬犟结构，日前主要采用铡纤维增强的衬单 1 5 - 1 6 。 带龟甲网的衬罩适合于平面或大曲率半径弧面上铺设，可以有效地起到隔热，耐磨 的作用，但在实际生，”中随着催化裂化j 艺技术的发展，装置负荷的加重，操作温度的 龟甲网往高温f 的模拟研究 提高，原有的带龟甲网的衬罩已不适应装置安全、稳定、长周期运转的要求。由于焊接 质量的影响，造成保温钉与壳壁上脱焊；端板与保温钉脱焊；龟甲网与端板脱焊；龟甲 网与龟甲网脱焊，辅衬罩产生鼓包、脱落、造成器壁超温。衬罩投用后，由于升降温及 流化产生热震的情蘑希，衬晕骨架的焊接接头在内外应力的作用下发生断裂，导致衬里 损坏，引起设备局部超温，某些采用碳钢骨架的衬旱，由于高温氧化作用，构件表面会 产生氧化皮，体积增大导致衬犀损坏。针对这一问题，我国从8 0 年代以来开发、研制 了无龟网锎纤维增强单双层衬罩，基本上在再q 三器、沉降器等大直径设备上成功地取代 了有龟甲网衬里，但仍然有相当数量的石化设备依然采用龟甲网衬晕，龟甲网的) - 裂和 鼓包脱落时有发生，不能保证装置长周期运行。 1 1 2 龟甲网在应用中存在的问题 对有龟甲网衬里，衬罩骨架由柱状锚固钉，端板和龟甲网组合焊接而成，锚固钉和 端板材质通常采用q 2 3 5 a 和0 c r l 9 n i 9 等材料，龟甲网材质通常采用0 c r l 3 、1 c r l 3 等。 衬里骨架龟甲网失效有以下几种形式： ( 1 1 龟甲网焊接接头丌裂 0 c r l 3 属铁素体不锈钢，当采用与其化学成份与机械强度相近的属铁素体不锈钢焊 条焊接时，焊缝和热影响区会同时硬化变脆，产生冷裂纹，为防l e 这一倾向的发生，通 常采用焊前预热、焊后热处理 ：艺来改善接头性能，但这在衬晕安装施工中是无法行得 通的。因此采用高铬镍奥氏体钢焊条a 3 0 2 或a 3 0 7 ，使焊缝具有奥氏体一铁素体双相组 织，可避免焊前预热、焊后热处理，同时可降低焊接接头冷裂倾向，使其具有较高的塑 性和韧性，能松弛焊接应力。多年来这一焊接：亡艺曾广泛应用于衬罩龟甲网的安装对接 中，被认为是可行的。然而这种具有优越性的奥氏体铁素体双相组织需要在合适的环 境及工况条件下才能得到保证，否则更容易被破坏。 具有奥氏体一铁素体双相组织的焊逢在6 0 0 9 0 0 的： 作环境中长时蚓运行， 最容易析出相，且温度越靠近上限( 5 0 0 以上，9 0 0 以下) ，加热时间越长，a 相的析 出越容易。在焊缝中。相是山含高铬的a 铁素体转变而成，a 铁素体在加热状念下全部 或部分地转成仃相和奥氏体。o 相是一种又硬又脆并且无磁性的中间盒属化合物，它山 大约5 2 铬及4 8 铁组成。它具有高的硬度( h r c 6 8 以上) ，形成时还伴随大的体积效 应，又常常沿晶界分布，故引起很大的脆性。因此在： 程上此种接头成份的焊缝( c r 大于1 7 的双相组织) 应尽量避免焊后再加热，尤其是6 0 0 9 0 0 的加热。而催化再生 器及外循环管的操作温度恰恰在6 0 0 7 5 0 之臼j ，极有利于o 相的析出，造成龟甲网 对接接头在应力作用下断裂。 人迕理f ：入学硕十学何论文 奥氏体品胞属面心：栌方结构，铁索体晶胞属体心立方结构，在此种焊接形成的双相 组织中，奥氏体和铁素体在焊缝中形成的双相组织极刁i 均匀，且在熔合线区域上出现晶 粒品格构成的畸变，造成聚集各种缺位和位错型微观缺陷。在循环工作温度下工作时， 尤其是升温降温时，由于膨胀系数不同( 铁索体型：0 6 5 0 ，t t = l1 7 1 0 6 ；奥氏 体刑：0 6 5 0 ，c t = - 1 8 7 1 0 6 ) ，在熔合区产生剪应力，使接头提前破坏。 ( 2 ) 龟甲网与端板焊接接头开裂 铁素体不锈钢0 c r l3 与珠光体碳钢q 2 3 5 一a f 焊接时，存在着0 c r l 3 桐焊时州样的 问题：近缝区晶粒纽大引起脆化，焊缝产生冷裂纹。如前所述，当用高铬镍奥氏体钢焊 时( a 3 0 2 或a 3 0 7 ) ，i 叮避免采用珠光体焊条时所必须采用的焊前预热，焊后热处理工艺， 且可改善焊缝的综合机械性能，但此种焊缝组织更加4 i 均匀，高温运行时更具有危害性。 ( 3 1 端板与铺词钉的焊接接头) j ：裂 衬早施工时先焊锚固钉，再衬隔热层，再焊端板，但焊端板之前需铲出埋在隔热层 中的锚吲钉钉头，由 ：钉头长时间埋在隔热层t 卜，生锈严重i 1 必带很多杂质，很不利于 焊接接头力学性能，焊缝会出现虚焊，裂纹央渣等缺陷。因而锚固钉钉头的除锈是村i 当 重要的。 此外受交变应力作用的高温零件，往往不足产生蠕变断裂而是发生疲劳断裂。锚固 钉与端板组合的设计存在着横截面过渡不均匀，在钉头处存在明显的缺口效应，因而在 此处在保温钉受力的情况下，会j n 生较大的应力集中，因而引起热疲劳裂纹导致破裂。 1 2 龟甲网的鼓包变形成因 1 21 再生器的超温引起龟甲网、衬里鼓包变形 再生器内温度发，i - 急剧变化时，旋风分离器衬罩除其自身因温度变化产生温差应力 外，还会受到龟甲网及会属壳体凶形变产q i 的外部热应力的作用。再生器旋分器的筒体 与龟甲网的材质均为1c r l8 n i 9 t i 7 0 引。 当再生器稀柏温度突然下降时，旋分器筒体、龟甲网衬晕都会收缩变形。山于简体与 龟甲网的热膨胀系数与导热率升i 同，所以金属材料的温度下降快，收缩变形量大。利里 材料的形变方向虽与金属材料一致，但形变量小，因此阻碍了简体与龟甲刚的自由收缩， 从而衬罩受盒属筒体与龟甲网的挤瓜，筒体与龟甲网的热应力转变成对衬里的压应力， 在连续的衬驰内传递砸表面则体现为向外的拉仲应力。山虎克定律可近似地求出应力大 小。当这成力值j 衬啦自身产，| i 的热应力的合力大r 衬里材料的抗折强度时，将使衬 里的表面出现剪切破坏，从而出现局部的衬罩剥落或起皮。 龟甲网在高漏r 的模拟研究 龟甲网内泥爪上方的衬里，还受泥爪温差应力的作用，此处衬坦受力最大，衬里容 易被泥爪顶开。实际情况也显示龟甲网内伸泥爪顶部的衬罩冲蚀较其他部位严重。有的 泥爪已被磨蚀，而龟甲网中心的衬里和无内伸泥爪的其余四边的衬里磨蚀量普遍较小， 龟甲网泥爪上方的衬里磨蚀量超出其它部位1 至2 倍。根据同样的道理，也町以分析温 度急剧上升时对衬里的危害。因此再生器的超温将引起龟甲网、衬晕的鼓包变形。 由于工艺复杂，操作温度的波动是难免的。应控制次数和幅度。如果反应器、再生器 超温，则应尽可能比较缓慢地降温。提高装置操作的稳定性也是保证旋分器高效使用的手 段之一。其次，不论村里是否修补，装置的开停工要严格按升温曲线进行烘干和降温。 1 2 2 材料本身的机械性能和强度性能 耐磨衬里材料的热膨胀系数较1 c r l 8 n i 9 t i 要小得多，面0 c r l 3 的热膨胀系数较 1 c r l 8 n i 9 t i 小3 0 左右。在同样的温差下，使用0 c r l 3 简体或龟甲网的旋分器其衬毋受 到的外部应力的作用显然要比使用i c r l 8 n i 9 t i 材质时要小些。只要操作温度的上限不 高于7 6 09 c ，可以选择0 c r l 3 材质筒体和龟甲网，至少町以选用0 c r l 3 龟甲网。因此选择合 适的简体与龟甲网、衬里材料对旋风分离器的影响也很重要。 1 2 ，3 安装和旌工的条件 一般情况下，旋分器灰斗排尘口以上部分与耐磨衬管是分段制造，做衬晕时在两部件 的接口处则预留1 0 0 1 5 0 m m 的焊接空间，灰斗与耐磨衬管接口焊接完毕后再做此处的 耐磨衬里。这样的施工存在两个问题：第一，接口部位的衬早与次斗及衬管的衬晕施一l ：存 在时间差，衬里的粘接强度受影响；第二，由于灰斗下料口和衬管的结合处管径较小，衬罩 只能用手伸进去涂抹，施工空间狭窄，不能保证衬晕的密实和均匀，更谈不上按规范要求逐 个网壳衬里用锒头砸实。此处的衬里施工质量较其它部位要差些。龟甲网j 旋风分离器 焊接的质量也将影响其寿命1 1 9 1 。 1 3 龟甲网对衬里使用的影响 随蒋炼油深加工的发展和催化裂化装置掺炼渣油比例的提高，对其中设备关键一环 的隔热、耐磨衬星的要求更高。催化裂化装置衬罩技术近年束有了长足的改进和发展， 再生器衬里从双层龟甲网衬晕发展到钢丝纤维增强的双层无龟甲网衬罩，进而发展到钢 丝纤维增强的单层无龟甲网衬罩，从原材料、衬早结构到施工方法都有了较大的进步， 龟甲网双层衬里本身也有了一定的改进。根据对炼油厂实际使用情况的调研，我们认为 催化裂化装置的衬罩可以做到“乏年不小修，十年不大修”的f _ i 1 标。 人连理1 ：火学硕十学位论文 锦西石化公司催化裂化装置的衬里型式为双层龟甲网衬里，由于施工质量较差，丌 1 ：后，莉：热应力作用f ，产乍鼓包和相贯连处丌裂现象，最终导致隔热层与耐赠层分离， 隔热层脱落造成器壁过热。1 9 9 4 年二密段简体有将近2 3 而积的红热、鼓包、变形现象， 另外，烧焦罐、再牛器简体也出现多处过热现象，并且面积较大。这些现象的存在严重 威胁着锦西石化公司催化裂化装置的安全生产。1 9 9 6 年4 月，利用大修机会我们对再生 器衬翠进行了彻底更换。存施j ：过程中，充分发挥工程技术人员的积极性，狠抓了施工 质量关，对鼓包、开焊的龟叶= 网彻底清除。将原保温钉去除，在焊接上保证了保温钉的 牢固，在龟甲网相贯处保温钉加密，并保证了龟甲网与钉头板焊缝氏度大于2 厘米。在 衬羁选材j ：，将山施：1 单偷配制的老式陶粒、蜒石、高锚水泥耐热层及高铝水泥与矾_ 二 集料耐磨层改为新型的将衬里骨料、掺和料、胶结剂按比例和级配混装的成料，在施工 现场只需加定虽水及促凝剂即可浇铸成型的衬里材料。在旋工过程中严格执行养护规 范，! ：r ：i ：后按规定的升温曲线进行烘干，从而保证了衬单的质量，时至今闩尚未发现火 面秘过热现象。另外，在衬单修补时应将龟甲网沿烟气阻挡罔整块拆除，而不是只做局 部处理，以保证龟甲嘲尽量与保温钉焊接在一起。 1 9 9 9 年6 月检修时，我们对催化裂化装置提升管e 部锥段( c v 型部位) 衬里整圈拆除， 更新；3 0 平方米新型的恤层无龟甲网隔热耐磨衬罩，2 0 0 3 年2 月2 4 同，装置计划检修时， 我们装定发现此处衬罩仍完好无损。 1 ，3 1 单层无龟甲网隔热耐磨衬里 单层无龟甲网隔热耐磨衬早，既隔热又耐磨，适用于。i 流流速较低的高温操作部位， 例如再生器等大型设备的壳体。近年米，由于高强度堆层衬里材料的，l ：发，单层衬里也 能适用于流速较高的斜管和提升管y 型部位等处。这种衬单的最大优点是结构简单、整 体性好、施工j ：期短而使用周期氏、不会h 现鼓包现象。因此它刁i 存在层状结构的剥层 等缺陷。这种厢钢丝纤维增强的坤层无龟甲网隔热酬磨衬里桐当于一种复合材料，在衬 艰, l - ) j l l 入任意取向钢丝纤维，相当于在衬甩内部均匀分布了许多裂纹，这些微裂纹对吸 收衬犟变形能起很大作用，使得峰值应力降低，产生裂纹的可能性减少。一旦产生裂纹 也会使钢纤维的阻隔裂纹扩大受阻，必须克服钢纤维的拉脱力或把钢纤维拉断，裂纹才 能扩大。凼此，衬里的韧性增强，抗裂性提高 2 0 - 2 2j 。 1 ，3 2 衬里结构及材料的选择 应根据不同的设备、操作条件和不同的部位选择不同的衬早：结构：再生器、烧焦罐、 三二旋承j 外取热器的简体应采用无龟i f j 网单层隔热耐磨衬罩；反应器、提升管、斜管和烟 道等处曲：采用龟甲网舣层隔热耐磨衬甩。受介质磨损严蕈的部位，如一、二级旋风分离 龟甲网在高温f 的模拟研究 器、粗旋稀相管、料腿、空气分部管等内件，应采用无龟甲网的或y 型保温钉的以磷酸 盐为胶粘剂的高耐磨单层衬里结构。 反应器不宜采用单层无龟甲网隔热耐磨衬里的理由是： ( 1 ) 单层衬里要兼顾隔热和耐磨，其密度不能很高，即气孔率较高，油气的渗透性 和渗碳性较强。同时无龟甲网衬譬势必会有裂缝，在操作时，油气会沿裂缝渗透而造成 结焦，从而造成衬里导热系数增加、外壁温度升高。而龟甲网双层衬里的耐磨层密度高、 气孔率低，具有更好的耐渗透性能，且正常情况下没有裂缝，所以渗透结焦的可能性大 大减少。 ( 2 ) 由于油气渗透，降低了衬罩本身的强度。油气从裂缝串入或渗透到内部后聚积 成焦炭，体积膨胀致使衬里层剥落。据调研，用单层无龟甲网隔热耐磨衬里的反应器3 4 年衬晕剥落。衬里层与器壁之间焦块把衬旱层整块鼓起来，甚至将保温钉也拔掉。 ( 3 ) 若反应沉降器内部结焦严重，在停工用豇l 铲除焦时容易将无龟甲网衬罩材料连 同焦炭一起打下来。而龟甲网衬晕因为有龟甲网加强，不易将衬旱打坏。 ( 4 ) 反应沉降器操作温度较低( 5 2 0 o 左右) ，龟甲网双层衬晕能适应其操作条件。实 际使用证明，经改进了的龟甲网衬罩在沉降器上使用情况良好。沉降器以采用龟甲网双 层衬旱为妥。 近些年的实践证明，在再生系统中无龟甲网双层衬早的缺点十分突出，耐磨层脱落 现象十分严重，一般使用了六七年后将其打掉改用无龟甲网单层衬里，其效果就很好。 据调查，美国s t o n e & w e b s t e r 公司在实际使用中，己不用无龟甲网双层衬里，而且改用 无龟甲网单衬里了。故在荐生系统中今后的设计应尽量少用无龟甲网双层衬罩。 衬里材料近些年来发展较快，而且品种繁多。应根据不同部位、不同的操作条件选 用不同类型的衬里材料。例如，冲蚀严重部位的双层龟甲网隔热耐磨衬里的耐磨层，应 选用高耐磨衬里材料，而不应选用中耐磨衬里材料。高耐磨衬罩以胶粘剂的不同分为两 类：一类是以磷酸盐为胶粘剂的，例如，美国的a a 一2 2 s 和日本的t x 一1 4 1 5 ，我国的t a - 2 1 8 j a - 9 5 等；另一类是以纯铝酸钙水泥为胶粘剂的，例如国内的g d s 忪和g t 2 a s 等。前者 是热硬性的，优点是不需喷水养护，在空气中即可固化，它便于检修时使用，与钢板的 粘结力强，耐磨、耐高温性能好。缺点是气温较高时，固化速度较快，施工和易性差。 而后者是属于水硬性的，需喷水养护，优点是施工性能好，和易性好。缺点是与钢板粘 结力较差耐磨性较差、耐高温性能较差。前者一般用于与钢板直接粘结的单层刚玉衬里； 后者宜用于双层龟甲网隔热耐磨衬罩的耐磨层衬里。在旋风分离器及两器内件如空气分 布环等催化剂冲蚀严重的部位，推荐使用以磷酸盐为胶粘剂的刚玉衬罩，因为衬罩的耐 8 人连理1 人学硕+ 学位论文 磨性不光取决于胶粘剂的枯结强度，而磷酸盐胶粘剂的粘结强度高于纯铝酸钙水泥的猫 结强度1 2 3 - 2 4 i 。 13 ，3 衬里的施工 近些年来，衬里材料研制、发展很快，从仿制国外名牌 “品开始，国内己丌发了一i 少新产品，基本上满足了目前国内的需求。龟甲网衬犟隔热层的l i o 。c 抗压强度从1 5 m p a 提高到2 5 m p a 。耐磨层li o 。c 抗压强度从2 0 m p a 提高至r j 5 0 m p a ，使用寿命己大大提高。 单层衬罩材料常温抗雕强度从最初的8 m p a 提高4 5 m p a 。目前对单层龟甲网隔热耐磨衬取 的要求是“二! 低一高”、低收缩、低气孔率、低吸水性、高强度。为了解决再生系统设备 的应力腐蚀裂纹的问题，要求器壁温度大于烟气露点温度，一般为1 5 0 1 8 0 ，所以要 求提高器壁温度。为此应提高衬里材料的导热系数，这使密度也提高、强度随之提高、 衬里寿命更长。这就需要开发更多的新产品、更加精心的施工来适应这个要求。 币层龟甲网隔热耐磨衬罩应采用支模振捣法施工，无法支模的局部可用手工涂抹 法。但用手工涂抹法施工，衬飘不密实、质量不易保证。无法取下的顶封头i 叮用喷涂法。 喷涂施j ：速度快，施工人员的状念因素对质量影响很大，而且喷涂损耗犬一般达 5 0 8 0 。支模振捣法，衬罩密实，加水量能减少2 ，战强度高、质量好，异施一方便、 成本低，损耗小r 5 0 ，顶封头的衬罩宜在地面进行。 底部平缓部位用平面振捣器捣实。四刷垂直部位仍支模振捣施工。对于两段己衬简 体之n u 的接缝，衬罩施工时先支斜模。振捣密实，待村甩料初凝后拆掉模板，用切刀将 多余部分切掉，再喷水养护。在斜管和筒体相交处的相贯线部位，也采用支模振捣法施 一l ：，此模板为特殊的异形小模，木模上钉上薄铁皮或涂油脂防i 匕木板吸水。拆模后如衬 蚺表面有棱角则用、枫砂轮打糜圆滑。此部位是关键部位，为了保证质量，不允许采用予 i ：涂抹法施工。 13 ，4 衬里的烘干 衬罩施工完成后，山装胃操作人员进行烘干。烘干的时间规范都有规定，从实1 啄情 况来看，如条件允许，烘干时问长一! 为好，使衬罩中的水分有充分时间排出，特别是 3 5 0 。c 以前的升温阶段要长。 反应、再仁系统各设备管道联接成多个同路，各设备距热源位置不同升温速度和温 度差别很大。距热源越远，滞后时间应越长。兼顾每个设备和管道的烘干要求，采用的 时间也应越长。锦西石化公司催化裂化装置在) i ：主风机时就将风鼓入反应、再生系统内， 使鼓风机的暖j x l 缓慢地使衬罩水分蒸发。装置的平稳操作是延氏衬罩受命的保障。如果 龟甲网在高温。t - 的模拟研究 装置的操作不平稳，经常开停工，使衬