加热炉高铬镍合金铸造管板的应力分析浅析_王玉.pdf

收稿日期：。作者简介：王玉，女，年毕业于大连理工大学过程装备与控制工程专业，学士，主要从事加热炉设计制造及项目管理工作，高级工程师。：。加热炉高铬镍合金铸造管板的应力分析浅析王玉，陈孙艺（茂名重力石化装备股份公司，广东 茂名 ）摘要：加热炉对流段烟气入口温度较高。高铬镍合金铸造管板常用于对流段管束的支撑。近年来，铸造管板在使用中发生失效开裂导致对流段盘管泄漏的现象时有发生。文章对国外某加热炉铸造管板的损坏和更换情况进行了介绍，同时，应用应力分析软件 对该铸造管板在各工况下的受力情况进行分析模拟，找到了开裂原因。针对上述原因，对原管板材料进行重新选材，并对管板结构进行重新设计，保证了加热炉的长周期安全稳定运行。关键词：加热炉高铬镍合金铸造管板失效开裂选材应力分析 ：石油化工管式加热炉对流段是加热炉原料预热、余热回收的核心部件。当高温烟气通过对流段炉管时，炉管将会受热弯曲、膨胀，如何进行合理支撑以保证炉管热态下的结构形态是非常值得关注的问题。高温烟气温度一般为 ，在此温度下，常规轧制钢板由于耐高温性能、结构尺寸、材料耗量等因素已不能满足炉管支撑结构要求，工程上一般使用高铬镍合金钢铸件铸造管板支撑，以满足高温及建造性要求。铸造高铬镍合金具有耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、可塑性好、可根据工程实际需要铸造出特殊结构等特点。本文结合某加热炉对流段中间管板失效案例，对铸造管板进行受力分析模拟，找到其失效开裂的根本原因。针对失效原因，以工程经验为基础，以最新的 应力分析法为精准工具，以满足管板设计许用条件为最基本原则，分析了原管板设计缺陷及材料选择问题，并对原有管板结构进行改造。改造后的管板在满足设计要求条件下，使用材料较少，兼具实用性与经济性。高铬镍合金铸造管板失效的危害国外某加热炉装置于 年开车，平稳运行年多，现场于 年初发现烟囱排烟不正常。检查发现，用于支撑对流段盘管的铸造管板筋板开裂（见图），炉管被铸造管板开裂锐角刮伤（见图），从而导致管内流体泄漏燃烧，出现烟囱排烟异常情况。图铸造管板开裂图管板腹板刮伤炉管现场经过多专业综合讨论分析后，制定了简易修复方案，将铸造管板开裂部位切除，用 形螺栓将下层炉管固定于上层炉管上（见图和图），并重新开车。工业炉石油化工设备技术，（）图管板简易修复图管板简易修复重新开车约两周时，对流段发生爆燃，导致对流段炉管与弯头焊缝撕裂、翅片管塌陷、衬里开裂脱落、外壁油漆由于超温脱落，整个盘管损毁，装置停车，虽无人员伤亡，但带来的经济损失巨大（见图图），管板受损严重，必须更换。图爆燃后炉膛管板处图爆燃后上部翅片管塌陷高铬镍合金铸造管板的选材与设计高铬镍合金铸件的选材及设计一直是加热炉专业中需要关注的问题，选材或管板结构设计不当将造成毁灭性结果。高铬镍合金的选材应考虑温度、应力、腐蚀工况、材料特性等。目前国内外应用较为成熟的材料有 、和 ，在 烟 气中 、总含量超过 时，需使用非铁基材料 。图对流段外壁油漆超温脱落图对流段炉管与焊缝弯头撕裂高铬镍合金铸件的设计应考虑温度裕量、腐蚀裕量、盘管静载荷、摩擦载荷、温度梯度载荷等因素。铸造管板的设计通常将管板按多点支撑连续梁的分析方法进行计算，工程上常使用两种计算方法，一种是根据工程经验及物理公式进行手算，另一种是采用 软件进行应力分析设计。高铬镍合金铸造管板的选材铸造管板的选材应首先考虑最高温适用性。本文所述项目中，高温烟气流经对流段第一组盘管（即铸造管板失效盘管）时的入口温度为 ，考虑 温度裕量，则铸造管板应按 进行选材。原管板材料选择了 。该种材料目前应用比较普遍，制造工艺比较成熟，相对来说经济性较好。化学成分及机械性能分别见表和表。根据 附录 图【】（见图）可知，最高允许设计温度为 ，而该项目设计温度为 ，已逼近材料允许设计温度最高临界值，因此，该管板选材不合理。相比 ，含量有所增加且添加了贵金属，使得材料的高温强度和耐高温性能大大提高。化学成分及机械性能分别见表和表。第 卷第期王玉等加热炉高铬镍合金铸造管板的应力分析浅析表高铬镍合金铸件 化学成分，材料 其他 微量表高铬镍合金铸件 机械性能材料室温 高温 抗拉强度 屈服强度 延伸率，抗拉强度 屈服强度 延伸率，图 曲线表高铬镍合金铸件 化学成分，材料 其他 微量表高铬镍合金铸件 机械性能材料室温 高温 抗拉强度 屈服强度 延伸率，抗拉强度 屈服强度 延伸率，石油化工设备技术 年该材料在耐高温、耐腐蚀等方面均有较好表现及成熟使用经验，可铸性相对 来说虽难度大很多，但也有成熟的工艺，其综合性能比 高出 左右，且铸造成本相差不大。综合考虑铸造管板选材温度、材料使用成熟情况、建造成本及工程经验等，将原项目铸造管板材料由 升级为 。高铬镍合金铸造管板的设计高铬镍合金铸造管板的载荷计算按多点连续支撑梁分析方法进行。确定载荷最大许用应力应考虑以下因素：）静载荷万发生断裂时平均应力的 ；）静载荷及摩擦载荷叠加时，万发生断裂时的平均应力，其中摩擦系数取，且考虑铸造性能影响，设计时许用应力取 倍的铸造系数。原设计根据工程经验及力学公式进行手算，管板主要结构中，腹板厚度为，筋板厚度为。原设计结构示意见图。图 管板原设计结构示意手工计算虽有较多工程案例可参考，但仅在炉膛宽度约时应用较普遍、较成熟，而该项目对流段炉膛宽度较宽，净宽即达。当炉膛宽度不大时，管板应力分布相对均匀，可按均布考虑；但当炉膛宽度较宽时，管板中部和两端的应力相差较大，如果采用手工计算按均布载荷考虑，将导致最大应力远超出许用应力而计算平均应力小于材料许用应力的情况出现，造成设计误判，并最终导致管板开裂失效或管板寿命缩短的情况发生。为客观分析原管板失效原因，将原管板在 中建模并加载进行分析。原管板模型见图。设定管板常参数，模型网格划分，设定边界条件，考虑管板自重、盘管自重、操作时流体自重等静载荷，在 中模拟管板受力情况。原管板静载应力分布云图见图。原管板静载摩擦载荷应力、形变分布云图分别见图 和图。图 原管板 模型图 原管板静载应力分布云图图 原管板静载摩擦载荷应力分布云图由图 图 可知，最大应力点为铸造管板右侧筋板位置，最大应力在仅考虑静载时为 ，综合考虑静载及摩擦载荷时为 。对比 附录 图 可知：材料在 、万时 断裂强度约为第 卷第期王玉等加热炉高铬镍合金铸造管板的应力分析浅析，静载作用下许用应力考虑倍铸造系数即为；静载摩擦载荷综合作用下的许用应力为倍断裂强度，考虑倍铸造系数即为 。由此可见，实际计算结果约为许用应力的倍。因此认为，应力过大是管板断裂的诱因。实际设计中虽考虑了温度裕量及铸造系数等安全裕量，管板仍在加热炉操作约年后断裂，未达到设计寿命 年以上的要求。图 原管板静载摩擦载荷形变分布云图基于以上分析可知，原设计存在缺陷，故将管板进行重新设计。新管板采用加厚腹板，并且考虑经济实用性，在应力较低位置适当减薄。经过约 次建模及分析，且综合考虑管板两端对于膨胀空间的需求，新管板设计如图 所示，其中，主腹板厚度，应力较大位置腹板厚度增大至 ，筋板厚度为。建立新管板 模型，如图 所示。新管板静载应力分布云图见图，静载摩擦载荷应力、形变分布云图分别见图 和图。由图 图 可知：新管板最大应力点依旧为铸造管板右侧筋板位置，因此判断，铸造管板两侧筋板位置为管板危险区域之一；最大应力在仅考虑管板自重及静载时为 ，综合考虑自重、静载及摩擦载荷时则为 。材料在 、万时 断 裂 强 度 约 为 ，静载作用下许用应力考虑 倍铸造系数即为 ；静载摩擦载荷综合作用下的许用应力为倍断裂强度，考虑倍铸造系数即为 。由此可见，实际计算结果约为许用应力的 倍，符合管板设计安全性的要求。图 新管板结构示意图 新管板 模型综合对比原设计与新设计可见，原设计管板质量约为 ，新设计为 ，材料耗量增加较少。同时，新设计依据多次计算结果进行对比分析，按应力分布将管板结构进行合理规划，大大降低了铸造管板关键位置的应力值。原管板与新设计管板计算结果对比如表所示。图 新管板静载应力分布云图石油化工设备技术 年图 新管板静载摩擦载荷应力分布云图图 新管板静载摩擦载荷形变分布云图表原管板与新设计管板计算结果对比管板材料许用应力 静载工况下的最大应力 静载摩擦载荷工况下的最大应力 应力比质量 结论原管板 失效新设计管板 预计符合预期铸造管板由各类高合金在中频炉熔化后，在树脂砂模型中浇铸而成，其铸造质量对于使用寿命有着非常直接的影响，因此规定，针对整个管板进行 渗透检测（），确保管板无超标表面缺陷，同时规定，对管板支撑、应力最大关键区域进行 射线检测（），以保证管板内在浇注质量，从而使管板制造可以达到设计预期。加热炉中烟气温度一般较高，铸造管板的使用环境相对比较恶劣，因此在设计过程中考虑了适当的温度裕量，但在加热炉运行过程中，由于烟气温度受加热炉燃烧情况、管内介质、仪表电器连锁控制等影响，情况比较复杂，因此，加热炉的操作应严格按照安全操作规程进行，避免铸造管板因误操作等引起烟气超温，进而造成管板开裂或寿命缩短等问题发生。结语加热炉对流段高铬镍中间管板的选材和设计，需要根据实际加热炉炉膛烟气温度、烟气组成、对流段结构等因素综合考虑，具体应考虑以下几个方面：）高铬镍合金铸造管板的选材对管板使用寿命影响较大，选材时应考虑合理的温度裕量；）铸造管板采用手工计算方法不能精确计算出管板的应力分布，且手工计算方法仅适用于加热炉炉膛宽度较小、烟气温度较低的工况；）应力分析可全面分析管板在各种工况下的应力及变形，且结果可视，对于加热炉炉膛宽度较宽、烟气温度非常高的工况，宜使用 应力分析方法进行铸造管板的受力分析；）高铬镍合金铸造管板的结构分析仅能够从设计及工程实践经验方面保证管板安全性，此外还需在制造阶段保证制造质量、在运行阶段保证按规程操作，才能最终实现加热炉安全稳定运行的目标。参考文献：，（上接第 页）王文武基于“浅池原理”的斜管组油水分离机理研究石油矿场机械，（）：周志强，刘德俊，赵梁，等 基于 模型的三维立式脱水沉降罐数值模拟北京石油化工学院学报，（）：李永军，董艳国，高红立式溢流沉降罐参数确定及脱水效果影响因素油气田地面工程，（）：王涛华立式沉降罐内构件结构仿真优化研究青岛：中国石油大学（华东），孙东方立式沉降罐分离特性研究及结构优化 大庆：东北石油大学，董雯婷沉降罐内油水分离特性研究及结构优化 大庆：东北石油大学，董阳阳，陈静一立式沉降罐油水沉降分离原理及运动分析化工管理，（）：赵洪达，王朝勃 立式原油沉降罐脱水效果优化分析化工管理，（）：第 卷第期王玉等加热炉高铬镍合金铸造管板的应力分析浅析 ，：），；），：），；），；），：；，（，）：，：；，（，）：，：；（，）：，：；，（.，.，；.，.，）：