丙烷脱氢（PDH）进料加热炉集合管应力分析研究与优化

摘要：近年来丙烯需求旺盛，所以丙烷脱氢制丙烯（PDH）装置上马较多。PDH生产工艺核心部分是氧化反应单元，丙烷原料与富含氢气的循环丙烷气混合，经加热炉加热到反应器所需进口温度并在高选择性铂催化剂作用下反应生成丙烯。以上物料经由进料集合管，通过密集的炉管于炉膛内加热，再汇集于出料结合管至反应器。该管道系统温度高，热位移大，应力分析难度高，多个项目现场炉管、结合管及反应器管口焊缝处出现了焊缝裂纹。现通过对该系统进行详细的应力分析，结合现场案例提出优化改进措施。

关键词：丙烷脱氢;加热炉;集合管;反应器;管道应力分析

0    引言

丙烷脱氢工艺为UOP公司专利技术，即在压力大于0.1 MPa、温度580～650 ℃、铂催化剂作用下进行丙烷脱氢、分离和精馏，得到聚合级丙烯产品。由于温度高，涉及加热炉、反应器等关键敏感设备，所以管道应力分析需要非常详尽。而大量恒力弹簧支吊架的应用，对管道应力分析模型的精确度要求非常高。如果数据考虑不全面，造成弹簧选型不恰当，会导致管道系统应力水平超标，出现法兰泄漏，焊缝裂纹，甚至造成紧急停车检修，从而大大影响装置的安全性和生产效益。本文就应力分析模型的建立和需要考虑的要素进行阐述分析，基于应力分析结果并结合生产实例对管道系统的支架设计提出改进方案，以期保证设计安全，保障业主正常生产。

1    应力分析模型建立

应力分析计算模型的建立是做管道研究的第一步，模型要设定正确的边界条件，比如和管道相连接的设备如加热炉、反应器设备，要考虑设备热膨胀对管道系统的影响，管道的直径、壁厚、腐蚀余量、密度，流体的密度、温度、压力，保温厚度、密度等条件也要分别核查清楚。

精确模型的建立基于以下几点考虑：

1.1    管道输入数据

加热炉进、出料总管及炉管尺寸与材料如表1所示。

进出料总管、支管以及炉管如图1所示。

1.2    法兰、法兰盖、8字盲板、螺栓

应力分析软件（CAESAR）里面的数据库并不包括盲板法兰的重量和8字盲板的重量，我们平常建模通常就用數据库里面法兰的重量来代替盲板法兰和8字盲板的重量，在这里就不可以，必须查找相关资料给出准确数据。由于管道尺寸比较大，用的螺栓数量和尺寸也多，所以必须把螺栓的重量加入模型。

1.3    管道壁厚偏差

管道壁厚制造公差，标准规定是±12.5%以内。项目经验表明，采购管道时，如果按照重量计算价格来买，厂家可能会按照正偏差来提供管道;如果按照管道尺寸来买，厂家可能会按照负偏差提供管道。所以在设计采购阶段，就必须要求厂家按照规定来，可以将偏差控制在5%左右，甚至在合同里要求厂家对这些管道参数做出保证。如果参数得不到保证，整个重量的计算不准确将导致弹簧选型有问题。

1.4    炉管大半径弯头模型

炉管弯头是大曲率半径弯管，正确定义曲率半径，对模型重量计算意义非常大。建立模型时是用两个垂直的管道搭建模型，这时候的重量是两根直管段重量之和，当定义曲率半径后，程序会自动按照大半径弯头的重量来计算，不需要手动进行折算。示例如图2所示。

1.5    炉管固定型钢

炉管间用槽钢来将其相互固定，槽钢和“U”型螺栓的重量采用均布荷载分配到管系中，如图3所示。

1.6    总管内件

总管内件非常容易被疏忽，在模型中必须体现出来。内件为圆锥形，大端和小端的直径和壁厚必须定义准确，以便得到内件准确的重量。程序计算出的重量需要和供货商最终提供的重量进行对照，防止出现大的误差。总管内件制造图如图4所示，模型图如图5所示。

1.7    弹簧吊架附件

计算模型中所选的弹簧不会考虑自身附件的重量对弹簧选型的影响，弹簧吊杆、花篮螺母、管夹的重量必须人为考虑进去。不同弹簧厂家所用的附件不尽相同，要区别对待。

1.8    风荷载考虑

集合总管处于加热炉结构之间，有些工程师认为两边的加热炉结构可阻挡风力，所以不需要考虑风荷载，故整个集合总管都没有设置导向支架。而通过现场观察，加热炉结构之间往往会形成风道，风的影响还是比较大的。另外，通过现场观察，物料流速不稳定时，也能够观察到管道有晃动现象。故鉴于风荷载和管道系统运行时的稳定性，在集合总管上增加导向支架还是有必要的。由于管道热位移大，导向支架和管道之间距离非常关键，支架既要起到稳固管道系统的作用，又不能产生过大的反力。

2    应力报告分析

管道应力依据ASME B31.3标准进行控制。应力校核分一次应力校核和二次应力校核。一次应力是由于管道的自重、输送介质、阀门、法兰保温等重量以及系统的压力而造成的应力;二次应力又叫“位移应力”，为满足外部约束条件或结构自身变形的连续性要求所需的法向应力或剪应力，通常是指管道热胀或冷缩而引起的应力。

2.1    二次应力计算

2.4    应力计算结果数据

应力计算结果数据如图7所示。一次应力：35.6 MPa<84.6 MPa;二次应力：185.6 MPa<231.4 MPa。

3    现场存在的问题及解决措施

现场反馈的问题普遍反映很多弹簧吊架运行没有满足设计要求，有些卡在最高点，或运行的位移和设计值偏差太多。

图8所示是在现场测得的弹簧位置点在升温过程中所产生的位移，可以看出有些点位移是0，而弹簧计算设计位移是160 mm，差别如此大，会导致管道系统应力超过许用值，管道系统在经过几年运行后，分别在有些焊缝处产生裂纹，比如炉管和集合管连接焊缝处、反应器管口位置。

以上情况出现的原因大致有以下两种：

（1）应力分析设计弹簧的选型和荷载计算与实际情况有偏差;

（2）弹簧制造荷载上、下偏差过大。

针对以上情况，现场采取如下措施：

（1）调整弹簧安装荷载，使系统处于安装受力平衡状态。超出弹簧自身调整能力范围的，必须更换弹簧。弹簧调整参数如表2所示。

（2）监测系统升温时，做好管道热位移记录工作，为计算模型提供详实数据，来评估一些不正常状态是否处于安全边际范围以内。

4    设计优化措施

（1）在设计阶段，严格要求弹簧厂家将恒力弹簧标定荷载上下偏差控制在6%以内，且留给用户不少于10%设定荷载的调整量。（2）适当的位置要设置导向支架，保证管道系统在各种工况以及风荷载下稳定性，避免集合管的晃动引起炉管晃动。炉管高度有20 m，晃动会引起炉管与集合管根部焊缝出现裂纹。（3）整个管道系统不要全部设计成弹簧吊架，这样很容易造成管道系统失稳，而且现场安装调整管道的水平度等难度极高。所以，要适当增加刚性吊架来保证管道系统的稳定。只要集合管水平度满足要求，应力控制得当，使用刚性吊架会大有裨益。图9是优化后支架模型。

5    结语

本文根据若干丙烷脱氢制丙烯（PDH）装置现场反馈的问题，作出上述应力分析研究与探讨。结合计算模型的建立、应力分析的理论依据、现场数据的采集等来论证分析问题，并提出一些建议和优化设计，以期能为将来类似装置的设计提供参考。至于大量的输入数据和输出报告，在此不再一一罗列。

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收稿日期：2020-02-14

作者简介：高大祥（1972—），男，安徽人，工程师，研究方向：管道应力分析。