焦炭塔底盖机液压密封系统的研究与应用.pdf

第 4 2卷第 7 期 2 0 1 3年 7月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 2 ，N o ．7 J u l y，2 0 13 焦炭塔底盖机液压密封系统的研究与应用 柴庆有 ，景鹏飞 ， 魏承岩 I ．中国寰球工程公司辽宁分公司， 辽宁 抚顺 I 1 3 0 0 6 ； 2 ． 沈阳东洋制钢有限公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 2 4 摘 要 延迟焦化是炼油工业中应用最广泛的渣油处理技术，焦炭塔是该装置中的关键设备。提出了一 种新型焦炭塔自动底盖机。它采用液压控制垂直开盖技术 ， 利用液压顶紧器产生密封力 ， 顶紧改进的密封装置， 达到良好的密封效果。底盖启闭和压紧动作分别执行 ，开关盖动作简单可靠 ，可适应焦炭塔频繁停开工的复杂 工况。依据有关理论，对卡密封系统进行结构设计，并对此密封系统的密封力及施加密封力的装置进行了分析 计算。并依据 J B 4 7 3 2 对底盖机应力进行分类强度评定，依据 A S M EⅧ一 1 对垫片应力进行密封评定。可为焦炭 塔 自动底盖机的实际应用提供参考。 关键词焦炭塔；液压；密封结构 ；有限元；应力分析 中图分类号T E 6 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 3 0 7 0 9 2 0 04 Re s e a r c h a nd Appl i c a t i o n o f Hy dr a ul i c Se a l S t r u c t ur e S y s t e m i n Co k i ng To we r Bo t t o m He a d M a c hi ne C H A I Q i n g - y o u ，J I NGP e n g - f e i ，W E I C h e n g - y a n 1 ． HQ C E C L i a o n i n g B r a n c h ，L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 6 ，C h i n a ； 2 ． S h e n y a n g Do n g y a n g S t e e l Co ．， L t d ． ，Li a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t Th e d e l a y e d c o k i n g t e c h n i q u e i S e x t e n s i v e l y u s e d i n o i l r e fi n i n g i n d u s t r y． Co k i n g t o we r i S t h e e s s e n t i a l e q u i p me n t i n d e l a y e d c o k i n g u n i t ． I n t h i s P a p e r ， the n e w s t r u c t u r e o f c o k i n g t o we r a u t o ma t i c b o tt o m h e a d ma c h i n e wa s p u t f o r wa r d ． I t u s e s t h e t e c hn o l o g y o f h y d r a u l i c c o n t r o l l i n g u n c a p p i n g v e r t i c a l l y ， t h e s e a l i n g f o r c e i s p r o d u c e d b y t h e h y dra u l i c c o mp a c t i n g d e v i c e t o c o mp a c t t h e s e a l ， S O b e tt e r s e a l e f f e c t C an b e g a i n e d ．Op e n a n d s h u t o p e r a t i o n c a r l c a r r i e d o u t s e p a r a t e l y ， s wi t c h i n g and c o v e ti n g o p e r a t i o n i s s i mp l e a n d r e l i a b l e ， S O t h e h y dra u l i c s e a l s t r u c t u r e s y s t e m c a n a d a p t t o fre q u e n t s t a r t u D a n d s h u t d o wn o f the t o we r ． T h e s t r u c t u r e s y s t e m o f Ca c h a l y s e a l wa s d e s i g n e d b a s e d o n c o r r e l a t e d t h e o r i e s ， t h e s e a l f o r c e wa s c a l c u l a t e d ， a n d t h e d e v i c e t o p r o d u c e the s e a l f o r c e wa s a n a l y z e d ． Th e b o t t o m c o v e r ma c h i n e s t r e s s i n t e n s i t y wa s e v a l u a t e d a c c o r d i n g t o J B4 7 3 2 ， the s e a l g a s k e t s t r e s s wa s e v a l u a t e d a c c o r d i n g t o AS M EⅧ 一1 ． wh i c h c a n p r o v i d e t h e r e f e r e n c e f o r p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f t h e b o tt o m c o v e r ma c h i n e i n c o k e t o we r． Ke y wo r d s Co k i n g t o we r ； Hy d r a u l i c p r e s s u r e ； S e a l s t r u c t u r e ； F i n i t e e l e me n t ； S t r e s s a n a l y s i s 延迟焦化是炼油工业中应用最广泛 的渣油处理 技术，焦炭塔是该装置中的关键设备Ⅲ 。延迟焦化 技术工艺发展的重点是优化操作条件，提高焦化装 置的机械化和自动化水平，保证安全生产，改善工 人劳动环境与劳动强度 ，提高装置处理能力 。焦炭 塔 自动底盖机处于塔的底部，由于延迟焦化工艺的 特点 ，底盖机密封的方式 、密封结构的强度及密封 性能是影响生产应用的关键 问题 。密封系统一般是 由连接件 ，垫片，紧固件等组成的，所以考察某个 接头的密封性能时，必须将密封系统看成一个整体 综合考虑。由于焦炭塔底盖装置参量较多 结构型 式、尺寸、材料及其性能等 ，承受载荷相当复杂 内压、温度载荷及其波动等 ，加之理论解析法 要对结构进行简化，忽略了许多非线性的影响。因 此借助有限元方法建立适当的计算模型和数值分 析，得出比较符合实际的结果口 川 。 1 底盖机结构参数与材料参数 焦炭塔 自动底盖机密封系统由进料装置 、底盖 装置、密封垫及液压顶紧器等部件组成 ，元件多为 非标准件，具体尺寸及工作参数如下 1 几何建模 的尺寸参数如图1 及 图2 所示。 2 焦炭塔自动底盖机主要工作参数如表1 所 示 。 2 有限元模型 2 ． 1 单元选择与建模 利用有限元软件A N S Y S 进行模拟。 针对筒体端部 法兰， 卡箍， 底盖和垫片等不规则形状的特点， 采用 带有中间节点的2 0 节点三维等参元S o l id 9 5 对结构进 收稿 日期2 0 1 3 - 0 6 0 7 作者简介柴庆有 1 9 6 2 一 ，男，辽宁法库生人，工程师，一直从事石油化工专业机械设计工作。 第4 2卷第 7期 柴庆有， 等 焦炭塔底盖机液压密封系统的研究与应用 9 2 1 行离散。 S o i ld 9 5 属二次单元， 对不规则形状有着更高 的精度。 筒体法兰、 密封元件与垫片之间， 筒体法兰、 卡箍之间的接触作用通过接触单元T A R G E 1 7 0 和 C O N T A 1 7 4 来实现，金属摩擦系数取0 ．3 。 图 1 底盖装置尺寸参数 总体图 F i g ． 1 Di me n s i o n s o f t h e b o t t o m h e a d d e v i c e 图 2 底盖装置尺寸参数 总体图 Fi g ． 2 Di me n s i o n s o f t h e b o t t o m h e a d d e v i c e 表1 焦炭塔底盖机主要工作参数 Ta b l e 1 W o r k p a r a me t e r o f b o t t o m h e a d m a c h i n e 项目 参数 操作压力， MP a 设计压力／ MP a 液压系统工作压力 P 8 设计温度／ ℃ 工作介质 焦炭塔筒体内径／ m m 底盖法兰内径／ mm 腐蚀余量／ ram 焊缝系数 简体材料 底盖法兰材料 螺柱材料 密封圈材料 0 ．2 0 ．3 5 3 0 4 9 5 渣油、油气 、水蒸汽、焦炭等 84 0 0 l 8 0 0 6 1 1 5 Cr M0 R 1 5 C r Mo R 3 5 C r Mo A 0 C r l 3 为突出关键因素，提高模型的针对性，以适应 有限元分析的特点。在建立模型时作了一些假设和 简化。在分析时对一些非关键因素的附件进行了简 化。由于密封结构的特殊性 ，对液压顶紧器进行 了 简化 ，将液压顶紧器简化为不等直径圆杆 ，小直径 端为M3 0 螺柱 ，大直径端为活塞 ，顶紧器与法兰孔 之间为空气环层 ，保留液压顶紧器的传热影响 ，忽 略它的热变形对密封结构力学行为的影响。密封垫 片为理想弹性体，即金属垫片的材料是均匀连续、 各 向同性和完全弹性 的；忽略垫片的加工 、安装误 差 以及 由装配应力导致的密封端面变形 。根据周期 对称性取1 ／ 1 2 建立几何模型 ，如图3 所示 。相应 的有 限元模型如图4 所示。 图 3分析模型 F i g ． 3 Ana l y s i s mo d e l ⋯ 一’一 图 4 网格划分 Fi g ． 4 me s h 2 ． 2 螺栓载荷和边界条件的确定 在底盖机复杂的工作工况下首要问题是确定合 适的螺栓载荷 。螺栓载荷根据G B 1 5 0 i 算在预紧工 况下时 ，螺栓载荷 应不小于压紧垫片所需的最小 压紧载荷 ，即 兀 6 D 1 式中 b - 垫片的有效密封宽度； DG 一 垫片的平均直径； 垫片的比压力。 在操作工况下时， 螺栓载荷 载应等于抵抗内 压引起 的的轴向推力和维持垫片必须的压紧载荷之 和，即 2 2 b T r D m p 2 ‘ t 式中 P c 操作压力 m 垫片系数。 公式中以保证垫片最小压紧力来确定螺栓载 荷，但实际中还应考虑各结构部件，与金属垫片的 强度 。通过有 限元软件分析与反复计算 ，考虑垫片 最小密封力，法兰转角和液压螺栓系统可提供顶紧 力的情况。实际使用单个液压顶紧螺栓的预紧载荷 为1 0 k N 。在操作工况时底盖与壳体内表面施加 P 3 ．5 M P a ，压环处施加等效顶紧力1 1 2 ．7 7 M P a 液压 螺栓等效力为3 O ．0 6 M P a 。施加位移约束条件，在上 法兰面约束模型整体轴向位移 ， 在1 ／ 1 2 对称面上施加 对称约束。在接触作用下的部件施加接触边界条件。 3 结果与分析 3 ． 1 应力强度的评定 图5 、图6 表明，在预紧和操作工况下底盖机系 第 4 2卷第 7期 柴庆有， 等 焦炭塔底盖机液压密封系统的研究与应用 9 2 3 表3 卡箍与密封装置 的应 力分 析结果 Ta b l e 3 Cl a m p a n d s t r e s s a n a l y s i s r e s u l t s o f t h e s e a l i n g de vi c e 通过以上判据 ，对各路径上的应力强度结果进 行 比较。可以得 出结论 ，即强度校核满足要求 。 3 - 2 密封评定 垫片应力 垫片轴向压应力 是评定接头密封 性能的重要指标 。依据G B 1 5 0 ． 1 2 0 1 1 或依据A S ME Ⅷ一 1 ， 在操作工况下垫片应力不小于埘 p 便认为达到 密封要求 m 为垫片系数 ，取6 ，p 为介质压力 。 图1 1 、图1 2 分别为预紧工况下和操作工况下垫片的 应力分布。可以看出垫片应力沿周向变化小 ，由于 垫片的半 自 紧特点，在两压紧面上出现最大应力。 该垫片在操作工况m p 2 ． 1 M P a ，在操作工况下压 紧面处最小压应力绝对值为1 1 ．3 M P a ，大于操作工 况下埘 p 值。根据此判据，表明密封系统达到要求。 4 结 论 1 用有限元软件进行整个底盖机的结构设 计 ，着重研究设计密封 结构。说明采纳液压密封方式实现底盖机的密封是 可行的。 2 对密封主体结构进行 了设计分析 ， 对密封 力等进行了分析计算。分析结果表明，在原有空间 上设计的这种密封施力元件结构可满足密封要求。 3 利用应力场计算结果， 对危险截面应力进 行线性处理，将各路径线性化处理后的应力强度计 算结果与相应的控制值进行比较，结果都在控制值 之 内。因此 ，可以判定焦炭塔 自动底盖机密封系统 不会发生强度失效 ，该系统的结构尺寸设计是合理 可靠的。 图 1 1 预紧工况下垫片压应力分布图 F i g ． 1 1 Ga s k e t c o mp r e s s i v e s t r e s s d i s t r i b u ti o n o f p r e - t i g h t e n i n g c o n d i ti o n 图 1 2 操作工况下垫片压应力分布 图 Fi g ． 1 2 Ga s k e t c o mp r e s s i v e s t r e s s d i s t r i b u tio n u n d e r t h e c o n d i t i o n o f o p e r a tio n 参考文献 [ 1 ] 瞿国华． 延迟焦化工艺与工程[ M] ．北京 中国石化出版社 ，2 0 0 7 ． [ 2] 瞿国华．延迟焦化在中国炼油工业中的地位和发展前景． 中国石油 化工科技信息指南 2 0 0 1 年 下卷[ M ] ．北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3] 蔡仁良，顾伯勤 ，宋鹏云． 过程装备密封技术[ M ] ．北京 化学工业 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 4] 丁伯民．齿啮式快开封头设计[ J ] ．化工设备设计，1 9 9 4 1 1 - 6 ． [ 5] 徐立志，谢禹钧 ，邓子龙 ，等．液压一 卡扎里密封顶紧器的结构 设计明．化学工程与装备，2 0 0 9 ，1 2 1 2 7 7 8 8 ． [ 6] 丁伯民钥 制压力容器[ M】 ．上海华东化工学院出版社，1 9 9 2 ． [ 7]余伟炜， 高炳军．A N S Y S 在机械与化工装备中的应用[ME 京 中国 水利水电出版社 ，2 0 0 7 ． [ 8] 刘文启等．焦炭塔顶密封装置改进[ J ] ．阀门，1 9 9 9 ，4 ． [ 9] G B 1 5 0 1 9 9 8 ，钢制压力容器[ s 】 ． [ 1 0 ]J B 4 7 3 2 1 9 9 5 ，钢制压力容器一分析设计标准[ s ] ． 印染 固色剂 Y的制备及应用 目前纺织业 中使用的染料存在着不同程度的缺点。如活性染料缺少深色品种。易水解，导致给色率低。不耐氯漂直接 染料在印染加工后，织物水洗易褪色。湿牢度差。因此要对织物进行固色处理。 固色剂种类繁多，固色剂 Y是结构简单且较为实用的一种。固色剂 Y主要用于酸性等染料印花或染色固色剂。棉布、 丝绸人造棉等，经该品处理。可增强水洗、皂洗牢度 ；直接染料作底色拔染印花拔白时。用本品处理。可防止底色渗化到拔 白部分 ；色织布经纱上浆时。用本品处理可防止渗化沾色。固色剂 Y还可用于色淀制造和纸张染色的固色。但不可用于防 脆硫化黑处理及树脂整理的固色。