裂解炉切换大阀开关不畅的原因分析.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 流体机械 4 5 文章编号 1 0 0 5 - -- -- 0 3 2 9 2 0 1 0 0 6 O 0 4 5 0 3 裂解炉切换大阀开关不畅的原因分析 何 承厚 中国石油化工股份有 限公 司化工 事业 部 ， 北京1 0 0 7 2 8 摘要 某石化企业裂解炉切换大阀在使用约半年后出现卡涩现象， 随后又有两台相同型号的阀门也相继出现了开关 不畅的现象。本文针对这种异常情况进行了分析， 将通过管线应力计算得到的载荷施加到阀门上进行有限元计算， 结果 显示在此管口载荷作用下， 阀门会出现轻微的变形； 并且相应提出了一些建议。 关键词 阀门； 卡涩； 管线分布； 应力计算 中图分类号 T Q O 2 8 文献标识码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 50 3 2 9 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 1 0 Di s c u s s i o n o f S wi t c h i n g La r g e Va l v e J a m o f Cr a c k i n g F u r n a c e P i p e l i n e HE Ch e ng h o u C h i n a P e t r o l e u m C h e mi c a l C o r p o r a t i o n C h e m i c a l D i v i s i o n ，B e i j i n 1 0 0 7 2 8 ，C h i n a A b s t r a c t A s w i t c h i n g l a r g e v a l v e j a m h a p p e n e d a f t e r b e i n g u s e d f o r h a l f a y e a r i n a p e t r o c h e m i c a l e n t e rpr i s e ．T h e n t h e r e a r e t wo s i mi l a r t y pe s o f v a l v e s a l s o c r o p pe d up i n t h e p he n o me n o n o f po o r s wi t c h．I n t h i s p a pe r，a s t r e s s a na l y s i s a nd c a l c ul a t i o n for t h i s a b n o r ma l s i t u a t i o n i s p e r f o rm e d ．T h e l o a d e x t r a c t e d f r o m p i p e l i n e s t r e s s c a l c u l a t i o n i s a p p l i e d o n t h e v a l v e，t h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e v a l v e wi l l s l i g h t l y d e f o rm u n d e r t h i s l o a d c o n d i t i o n ．T h i s a r t i c l e a l s o p r o p o s e s s o me v i e w s o f r e c t i f i c a t i o n for t h e m． Ke y wo r d s v a l v e ； j a m； p i p e l i n e d i s t ri b u t i o n ； s t r e s s c a l c u l a t i o n 1 前言 某 石化企业裂解 炉切换 大阀在使 用半年 后 出现较为 严重 的开关不 畅现 象 ， 即使 增 大扭 矩 仍然无法 开关 ， 在 使用 人 工开关 的过程 中甚 至 发生过 电动 头压盖 断裂 的现象 ， 随后 又 有两 台 类似 的阀门也相继 出现了 同样 的问题 。根据 现 场人员介 绍 ， 切换 大 阀在管 系处 于冷 态 时 的开 关较为顺利 。但 是在管线 正常运行处 于热态 的 时候 ， 大阀的开关仍然较为困难 ， 开 或关 一 次 的时间最长超过 2 4 h ， 而大阀正常开 或关 一次 需要 的 时 间仅 为 约 3 mi n 。虽 然 采取 了一 些 措 施 ， 但收效 甚微 ， 大 阀开 关仍 然 困难 ， 是 整个 装 置安全运行的隐患 。 本文针对阀门开关 困难 的这一异常现象 ， 对 裂解炉切换大阀及相关管线进行应力分析 ， 结合 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 5 修稿 日期 2 O 1 0 0 6 1 0 有 限元计算结果 ， 提出一些建设性的改进措施。 2 管线和 阀门参数 与阀门相关管线的基本参数见表 1 。裂解炉 切换大阀的参数见表 2 。 表 1 相关管线的基本参数 操作压力 操作温度 管线编号 材料 MP a ℃ 1 API 5L GR B 0． 06 2l 0 2 API 5L GR B 0． 06 21 0 3 API 5L GR B 0． 06 21 0 4 API 5L GR B 0． 06 42 5 5 A1 06 GR B 0． 06 42 5 6 A 6 9 1 G R 1一】 ／ 4 CR C L 2 2 0． 07 48 0 7 A3 3 5 GR P1 1 O． 07 48 0 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 6， 2 01 0 表 2阀门计算参数 项 目 设计压力 M P a 温度 ℃ 材料 许用应力 MP a 阀体 0 ． 3 5 4 2 5 1 3 C r M0 45 1 0 6 ． 7 阀门颈部 0 ． 4 3 0 0 P 2 6 5 G H l o 3 ． 3 3 有限元模型建立及计算结果 分析阀门处 于开启状态时 ， 阀门及其相关管 线的受力情况。将通过管系应力计算提取的管 口 载荷加载到阀门上 ， 对阀门进行分析 ， 从而得到在 热态管系应力作用下 ， 裂解炉切换阀门的变形及 应力分布情况。 3 ． 1 管线模型的建立及计算结果 本文采用大型通用有限元软件 A B A Q U S 6 ． 8 对管线进行前后处理与分析计算。管线模型采用 P I P E 3 2单 元 ， 共有 6 2 7 6个单元 ， 1 8 8 3 6个节 点。 模型如图 1所示 。该管线约束分为可变弹簧 、 恒 力弹簧、 固定支架和导 向架 4种类型。 图 1 管线的有限兀模型 由于大阀上共有 4 8 和 1 0 ” 两个 阀门通过螺栓 刚性连接。因此 在计算管线时 ， 需要通过合理方 式模拟此刚性连接 。 应力计算结果 显示在裂解 炉切换 大 阀上 的 1 O 小 阀进 口端 管线的应力较 大 ， 最 大值达 到了 1 0 0 M P a以上 ， 而小 阀出 口端 管线 的应力 比较小 。 管 口载荷方各如 图 2所示 ， 从管 系应力分析 中提 取出来的与阀门相连的管口载荷如表 3所示。 图2 阀门管口载荷方向 表 3阀门管 口载荷 4 8 ” 大 阀门的 1 0 ” 大阀门的 l 0 ” 大 阀门的 项 目 管口载荷 管口载荷 管口载荷 进 口端 出口端 N 1 1 3 5 7 6 2 2 5 6 l 3 4 6 4 F N 7 0 1 7 2 一 4 6 8 8 2 2 7 2 0 F z N 8 5 0 4 9 6 2 0 6 7 1 2 1 6 N m 8 3 7 9 7 1 4 7 1 5 6 0 6 1 N m 5 2 0 5 4 4 3 3 6 3 3 7 0 8 Mz N m 2 3 4 6 5 4 2 6 1 3 4 3 9 2 3 ． 2 阀门模型的建立及计算结果 裂解炉切换大阀连接如图 3所示 。 图 3 裂解炉切换大阀示意 图 4阀门的有 限元模型 采用大型有限元 软件 A N S Y S对 阀门进行前 后处理与分析计算 ， 将上述管系应力分析 中得到 一 ＼ 、 k 2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 流体机械 4 7 的阀门管 口载荷加载到阀门上。图 4为阀门的有 限元模型， 图 5为阀门模型的网格划分 。 3 分析与结论 图 5 阀 门的I碉格划分 阀门的应力 计算结 果见图 6， 从 图 中我们 可 以看出阀门最大应力为 2 5 3 M P a ， 位于大小阀相连 处的肋板上。阀 门变形 的计 算结果见 图 7 ， 从 图 中可以看 出， 大阀的变形量很小 ， 在管系力和弯矩 的作用下 ， 小 阀门相对 于大阀门有一个扭转。通 过有限元分析可以计算 出小阀门相对于大阀门的 最大位移量达到了 3～ 4 ram。 3 6 93 1 5 62 E 08 I 1 2 E 0 9 I 6 9 E 0 0 2 2 5 E 0 9 2 8l } 十 08 8 4 3 E 0 8 l 4l E 0 9 l 9 7E 0 9 2 5 3 E 0 9 图 6 阀 门的当量应力 分布图 0 7 7 3 0 3 I 1 ． O f } 1 5 4 7 ．0 0 23 2 0 0 2 7 0 7 ． 0 0 3 0 9 4 3 8 4 E 0 3 0 0 6 O 01 9 3 4 0 0 3 4 8 一 I 1 X 2 7 0 7 图 7阀门的变形量 分布情况 变形放 大 5 O倍 通过有 限元计算 ， 发现与裂解气 切换阀上 的 小阀进 口端管线应力很 大 ， 虽然其应力水平在管 线相关标准允许 的范围内 ， 不至于使得管线产生 破坏。然而高的管线应力却造成了与之相连 阀门 的轻微变形 ， 这种轻微的变形成为 了导致 阀门开 关不畅原因之一。 因此改进中建议增加小管线 的柔度 ， 以便有 效地减小进 口端小管线在热态下的应力水平。 4建 议 裂解气大阀开关不畅是 乙烯装置长周期运行 的安 全 隐患 ， 中国石 化不 少 乙烯 装 置都 采用 了 Z J 公司生产 的平行双闸板阀， 从使用情况来看 ， 不少 乙烯装置 如茂名 、 齐鲁 、 扬子 、 燕 山 都存 在 大阀开关不 畅的情 况。据 了解 ， 国外 乙烯装 置裂 解气大阀也存在开关 困难 问题 的类似 问题。裂解 气大阀的使用情况 与安装 和维护是 密切相关 的， 对于 Z J阀， 本身体型庞大 一个裂解气大阀的重 量达几吨 ， 甚至十吨以上 ， 结构也不尽相 同， 加之 与其相连的裂解气管道直径多在 1 H I 以上 ， 且操作 温度较高 ， 因此裂解气大阀的安装要求无应力 ， 且 要考虑到裂解气大阀及与其相关管线 的热应力情 况。 目前这一现象仍未得到有效解决 ， 有必要 就 该问题进行进一步的调查 和研究 ， 找出根本原 因， 降低乙烯装置长周期运行 的风险。 参考文献 [ 1 ] A B A Q U S A n a l y s i s U s e r S Ma n u a l [ R] ．HK S I N C 20 0 5． [ 2 ] 何志， 倪向贵， 徐洲． 高温高压工艺管道应力分析计 算[ J ] ． 压力容器， 2 0 0 4 ， 2 1 6 1 8 - 2 2 ． [ 3 ] 沈松泉， 等． 压力管道安全技术[ M] ．南京 东南大 学 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 张红才．中压蒸汽管线异常变形的有限元分析及对 策[ J ] ． 压力容器， 2 0 0 4， 2 1 1 0 2 3 2 5 ． [ 5 ] A S ME B 3 1 ． 1 2 0 0 4 ， A S M E C o d e f o r P r e s s u r e P i P i n g [ S ] ． 作者简介 何 承厚 1 9 6 3 - ， 高级 工 程师 ， 长期从 事石 油 化工 设 备管 理工作 ， 通 讯地址 1 0 0 7 2 8北京市 朝阳 区朝阳 门北 大街 2 2 号。