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    破裂泄漏乙烯裂解炉管线应力校核.pdf

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    破裂泄漏乙烯裂解炉管线应力校核.pdf

    苑野等破裂泄漏乙烯裂解炉管线应力校核 破裂泄漏乙烯裂解炉管线应力校核 苑野 钟 源 中石油东北炼化工程公司吉林设计院吉林132002 摘要 某公司300 kt/a乙烯装置裂解炉管线破裂,导致裂解气外泄引发局部火灾。经分析管线破裂的原因 为应力超限。采取调整管道支吊架,重新分布管系荷载,改变管道局部应力等方案,实施后管线运行平稳,再 没有发生破裂现象。 关键词 裂解炉管线破裂材料腐蚀应力超限荷载分布管道支架 某公司裂解装置共有六台5t裂解炉。乙烯装 置裂解炉管线的设计及应力分析由国外工程公司 完成,每台裂解炉配备一台清焦罐。装置运行后, 国内乙烯裂解炉专业工程公司对清焦线进行了改 造,取消了3台清焦罐,两台裂解炉共用一台清焦 罐。将裂解炉F一0101和F一0201的清焦气管线合 并一起进人同一清焦罐,F一0301和F一0401、F 一0501和F一0601的清焦气管线也做了同样修改。 在乙烯装置裂解炉运行中,裂解炉F一0101、 F一0301和F一0501的裂解气清焦管线靠近裂解气 主管线分支处,异径管节点8500发生过多起 焊口开裂、异径管破裂事故,并引发火灾。本文 仅列举裂解炉F一0101和F一0201管道布置, 见图1。 图1 乙烯裂解炉接管示意图 1产生破裂泄漏的原因 引起管道本体破裂泄漏的主要原因为管道材 料腐蚀、安装质量及管道应力超限等。 1.1管道材料腐蚀 乙烯裂解气管道内含有微量的水蒸汽、HS、 SO 、CO 等,在一定条件下可能会造成管线腐蚀。 而乙烯裂解气管线温度均在330℃以上、压力 0.4MPa的工况下运行,水蒸汽冷凝现象不可能 出现。 发生破裂的管线选用的管道材料为ASTM A358 GR.321 CL1,该材料是高温用电熔焊奥氏体 铬镍合金钢,耐氧化性酸介质腐蚀。乙烯裂解气 管线在开停车、除焦等过程中,产生少量的凝液, 根据管线破坏形态,可排除腐蚀破坏。 1.2安装质量及检测验收 若施工不规范,操作人员没有严格遵守操作 规程或操作不熟练,施工机具不符合要求,没有 按规范进行各种试验,管道运行一段时间后可能 会发生泄漏现象。 发生破裂的管线焊口采用填充金属双面焊, 并已100%探伤检测。因此由安装质量及检测验收 原因造成管道泄漏可能性比较小。 1.3管道应力超限 乙烯裂解气管线承受压力荷载、持续荷载、 热胀和端点位移及偶然荷载。 管道均是架空布置,合理的管道支架设计, 可保证管道的持续荷载具有良好的分布状态,在 管道上产生的一次应力不超过许用应力。 管道由安装状态过渡到运行状态,由于管内 介质温度变化,管道产生热胀或冷缩使之变形。 与设备连接的管道,由于设备的温度变化,设备 管口产生端点位移可使管道产生变形。这些变形 苑野教授级高级工程师。1983年毕业于吉林化工学院化学工程系化学工程专业。从事石油化工设计工作。联系电话0432 63917745,Emailjly_yrO151petroehina.com.en。 CImMICAL ENGIERING DESIGN 化工设计2014,243 使管道承受弯曲、扭转、拉伸和剪切应力。管道 应具有足够的柔性,使管道变形所产生的应力保 持在许用应力范围内。 风雪荷载、地震荷载、自控调节阀和安全阀 起跳所产生的冲击荷载均属于偶然荷载范畴。偶 然荷载与压力荷载、持续荷载组合后,允许达到 许用应力的1.33倍。 通常管道的持续荷载分布状态不佳,缺乏足 够的柔性,是造成管道应力超限的主要原因。 综上分析,造成裂解炉管道破裂、气体泄漏 引发火灾的原因应是管道应力超限所致,因此对 乙烯裂解气管线进行应力评定。 2管道应力分析 2.1操作工况说明 由于来自裂解炉的乙烯裂解气温度变化较大, 本次应力分析采用五种工况进行,见表1。 表1五种操作工况参数 2.2管线模拟和偏差 由于没有原始的应力分析资料,对现有装置 管线进行重新应力核算,关键是模拟管线的真实 程度。 为了较真实地描绘现有管道,查询了国外工 程公司和国内工程公司的设计资料,请教乙烯厂 的技术专家,并多次现场勘查,掌握了应力分析 所需的基本资料。 1管道布置利用原设计的单线图,结合 现场实际勘测,真实地反映了管道结构尺寸、管 件的位置。 2膨胀节确定膨胀节的型式为大拉杆膨 胀节,其长度为现场勘测值,刚度值取为 3000N/mm。 3弹簧支吊架弹簧的荷载和刚度值采用 现场勘测值,采用中国国家标准提取弹簧的重量。 4阀门重量裂解气管线上42”闸阀无重量 数据,采用苏州纽威阀门厂的数据。由于其长度 与现场不同,阀门重量按长度略做调整。 5弹簧数据裂解气管线上,42”闸阀前后 的弹簧取现场实际数据。国外工程公司的设计值 与其不一致。 根据所掌握的基础数据,采用CAESARII应力 分析软件,建立分析模型,并进行分析。 2.3应力分析结果 从管系应力分析结果可知,在安装状态下, 乙烯裂解气管线破坏泄漏处,即节点8500处一次 应力值为37.17MPa,占标准许用应力的100.9%。 造成一次应力超标主要原因是该点的弯曲应力较 大,可达29.7 MPa,且节点8580处的垂直沉降高 达10.829mm,裂解炉接管示意见图1。 在热态工况中第一种工况,裂解气温度在 650℃时,节点1660处二次应力值184.96 MPa, 占标准许用应力的106.1%。节点6660处二次应 力值177.79 MPa,占标准许用应力的102%。第五 种工况,裂解气温度在630℃时,节点1660处二 次应力值179.71 MPa,占标准许用应力的97.7%。 节点6660处二次应力值172.76 MPa,占标准许用 应力的93%图1。其他热态工况应力分布均 匀,数值理想。 综上所述,节点85o0处即乙烯裂解气管线 破坏泄漏处的弯曲应力过大导致节点85oo处一 次应力超标。 另外,裂解气温度在630650%时,节点 1660和节点666o属于危险状态。装置运行时应避 免长时间出现这样的工况。 2.4采取措施 在节点8595处图1增加衡力弹簧支架, 使管道持续荷载分布状态良好,整个管系不再有 倾斜现象。再次应力分析得出,节点8500处即 乙烯裂解气管线破坏泄漏处一次应力值为 8.62MPa,占标准许用应力23%。该点的弯曲应力 减小到1.24MPa,且节点8580处的垂直沉降仅 有2.15mm。 3结语 由于清焦管线上均采用弹簧支吊架,应力分 析结果显示弹簧支吊架设计布局不合理,因此 管系处于不稳定平衡状态,管道持续荷载分布状态 下转第29页 刘 刚 催化裂化干气制乙苯装置反应区管道设计 29 宜做到“步步高”,防止开工初期出现的气液两相 流对管道的冲击。在循环苯加热炉前管桥的合适 位置设置一个固定支架,这样可以把反应部分和 加热炉部分比较复杂的管道分开为两个相对独立 的系统。进料线从反应器进料人口处就考虑管道 的自然补偿,增加管道柔性,减少温度交变对相 连管道的影响。从加热炉进料线引出开工加热线, 开工反应器跨线,考虑到切换操作的方便,三条 管道的切断阀宜靠近布置。 4.3.2电加热器的活化线 活化温度520C,活化的时间相对较短,为1 2天,此后活化管道保持常温。在设计中这可以 看作一个相对单独的系统,在与加热炉进料线连 接时应增加其柔性,减少与进料线牵掣。 4.3.3安全阀线 安全阀布置的原则是应尽量靠近被保护设备。 安全阀进出口管道需要设置恒力弹簧支架,并且 应在管道的合适位置设置抗安全阀排放气反力阻 尼器。设备本体的热膨胀量大,两路安全阀出口 管道不宜在构架内汇合,应沿反应构架外侧下降 后分别汇至管桥火炬总管。 4.3.4 电加热器的开工加热线 开工加热线与活化线相似,设计思路参考电 加热器的活化线。 4.3.5进出口跨线 进出口跨线连接反应器人口和出口管道,高 差14 m左右,管道不宜上下直接相连,应该利用 管道的自然走向,合理布置,适当增加水平段长 度以增加管道的柔性,还可以考虑给跨线伴热, 这样可以减低跨线与主管连接处的应力值。 最后,构架顶层管道设置了大量恒力弹簧, 如果构架层顶有足够的空间,在设计时应该考虑 管道和阀门“绕离”反应器。如果管道系统存在 零位移点,在此处设置固定支架,避免整个系统 “浮”在构架上,以增加整个管道系统的稳定性。 4.4反应区辅助管道的设计 按石油化工企业设计防火规范要求,各 层平台应设置消防蒸汽接口;构架高度超过15 m, 应设置消防竖管,消防竖管应设置在构架靠近检 修侧的一边,按各层需要设置带球阀的管牙接口 或消防箱。 构架设置两根密闭排放总管,构架上管道的 所有排凝按工艺流程要求分别接人密闭排放总管 和含油污水总管再引至地面集中排放。 5 结语 乙苯装置反应区是整个装置的核心区,不仅 需要管道设计人具备扎实的管道材料、管道应力 和管道布置知识,还需要对装置的工艺流程有深 入了解,要充分考虑不同操作工况对管道设计的 影响,合理布置管道,满足相关管道设计规范要 求,满足工艺、环保要求,方便工人操作检修, 从而保证装置安全平稳的运行。 参考文献 1 张德姜,王怀义,刘绍叶主编.石油化工装置工艺管道安 装设计手册第一篇设计与计算第四版[M].北京 中国石化出版社,20098586. 2国家质量监督检验检疫总局发布.全国压力管道设计审批 人员培训教材[M].北京中国石化出版社,2009.357. 3 GB 501602008.石油化工企业设计防火规范[s]. 4 GB/T208012008.压力管道规范工业管道[s]. 5 SH/T 30592012.石油化工管道设计器材选用规范[s]. 收稿日期20131220 上接第26页 欠佳,导致整个管系向清焦罐一侧倾斜,造成节 点8500处即乙烯裂解气管线破坏泄漏处的弯 曲应力过大。 整改后的裂解炉F一0101、F一0301和F一 0501的裂解气清焦管线,历经开车、停车、清焦 等生产过程,目前已平稳运行4年多,再没有发生 过焊口开裂、异径管破裂事故。 参考文献 1 张德姜,王怀义,刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设 计手册[M].中国石化出版社,1994. 修稿回稿2o140522

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