裂解爐切換大閥開(kāi)關(guān)不暢的原因分析
某石化企業(yè)裂解爐切換大閥在使用約半年后出現卡澀現象，隨后又有兩臺相同型號的閥門(mén)也相繼出現了開(kāi)關(guān)不暢的現象。本文針對這種異常情況進(jìn)行了分析，將通過(guò)管線(xiàn)應力計算得到的載荷施加到閥門(mén)上進(jìn)行有限元計算，結果顯示在此管口載荷作用下，閥門(mén)會(huì )出現輕微的變形;并且相應提出了一些建議。
1、前言
某石化企業(yè)裂解爐切換大閥在使用半年后出現較為嚴重的開(kāi)關(guān)不暢現象，即使增大扭矩仍然無(wú)法開(kāi)關(guān)，在使用人工開(kāi)關(guān)的過(guò)程中甚至發(fā)生過(guò)電動(dòng)頭壓蓋斷裂的現象，隨后又有兩臺類(lèi)似的閥門(mén)也相繼出現了同樣的問(wèn)題。根據現場(chǎng)人員介紹，切換大閥在管系處于冷態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)較為順利。但是在管線(xiàn)正常運行處于熱態(tài)的時(shí)候，大閥的開(kāi)關(guān)仍然較為困難，開(kāi)(或關(guān))一次的時(shí)間最長(cháng)超過(guò)24h，而大閥正常開(kāi)(或關(guān))一次需要的時(shí)間僅為約3min。雖然采取了一些措施，但收效甚微，大閥開(kāi)關(guān)仍然困難，是整個(gè)裝置安全運行的隱患。
本文針對閥門(mén)開(kāi)關(guān)困難的這一異�，F象，對裂解爐切換大閥及相關(guān)管線(xiàn)進(jìn)行應力分析，結合有限元計算結果，提出一些建設性的改進(jìn)措施。
2、管線(xiàn)和閥門(mén)參數
與閥門(mén)相關(guān)管線(xiàn)的基本參數見(jiàn)表1。裂解爐切換大閥的參數見(jiàn)表2。
表2 閥門(mén)計算參數
3、有限元模型建立及計算結果
分析閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，閥門(mén)及其相關(guān)管線(xiàn)的受力情況。將通過(guò)管系應力計算提取的管口載荷加載到閥門(mén)上，對閥門(mén)進(jìn)行分析，從而得到在熱態(tài)管系應力作用下，裂解爐切換閥門(mén)的變形及應力分布情況。
3.1、管線(xiàn)模型的建立及計算結果
本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS6.8對管線(xiàn)進(jìn)行前后處理與分析計算。管線(xiàn)模型采用PIPE32單元，共有6276個(gè)單元，18836個(gè)節點(diǎn)。模型如圖1所示。該管線(xiàn)約束分為可變彈簧、恒力彈簧、固定支架和導向架4種類(lèi)型。
圖1 管線(xiàn)的有限元模型
由于大閥上共有48d和10d兩個(gè)閥門(mén)通過(guò)螺栓剛性連接。因此在計算管線(xiàn)時(shí)，需要通過(guò)合理方式模擬此剛性連接。
應力計算結果顯示在裂解爐切換大閥上的10”小閥進(jìn)口端管線(xiàn)的應力較大，最大值達到了100MPa以上，而小閥出口端管線(xiàn)的應力比較小。管口載荷方各如圖2所示，從管系應力分析中提取出來(lái)的與閥門(mén)相連的管口載荷如表3所示。
圖2 閥門(mén)管口載荷方向
3.2、閥門(mén)模型的建立及計算結果
裂解爐切換大閥連接如圖3所示。
圖3 裂解爐切換大閥示意
圖4 閥門(mén)的有限元模型
采用大型有限元軟件ANSYS對閥門(mén)進(jìn)行前后處理與分析計算，將上述管系應力分析中得到的閥門(mén)管口載荷加載到閥門(mén)上。圖4為閥門(mén)的有限元模型，圖5為閥門(mén)模型的網(wǎng)格劃分。
圖5 閥門(mén)的網(wǎng)格劃分
閥門(mén)的應力計算結果見(jiàn)圖6，從圖中我們可以看出閥門(mén)最大應力為253MPa，位于大小閥相連處的肋板上。閥門(mén)變形的計算結果見(jiàn)圖7，從圖中可以看出，大閥的變形量很小，在管系力和彎矩的作用下，小閥門(mén)相對于大閥門(mén)有一個(gè)扭轉。通過(guò)有限元分析可以計算出小閥門(mén)相對于大閥門(mén)的最大位移量達到了3~4mm。
圖6 閥門(mén)的當量應力分布圖
圖7 閥門(mén)的變形量分布情況(變形放大50倍)
3、分析與結論
通過(guò)有限元計算，發(fā)現與裂解氣切換閥上的小閥進(jìn)口端管線(xiàn)應力很大，雖然其應力水平在管線(xiàn)相關(guān)標準允許的范圍內，不至于使得管線(xiàn)產(chǎn)生破壞。然而高的管線(xiàn)應力卻造成了與之相連閥門(mén)的輕微變形，這種輕微的變形成為了導致閥門(mén)開(kāi)關(guān)不暢原因之一。
因此改進(jìn)中建議增加小管線(xiàn)的柔度，以便有效地減小進(jìn)口端小管線(xiàn)在熱態(tài)下的應力水平。
4、建議
裂解氣大閥開(kāi)關(guān)不暢是乙烯裝置長(cháng)周期運行的安全隱患，中國石化不少乙烯裝置都采用了Z&J公司生產(chǎn)的平行雙閘板閥，從使用情況來(lái)看，不少乙烯裝置(如茂名、齊魯、揚子、燕山)都存在大閥開(kāi)關(guān)不暢的情況。據了解，國外乙烯裝置裂解氣大閥也存在開(kāi)關(guān)困難問(wèn)題的類(lèi)似問(wèn)題。裂解氣大閥的使用情況與安裝和維護是密切相關(guān)的，對于Z&J閥，本身體型龐大(一個(gè)裂解氣大閥的重量達幾噸，甚至十噸以上)，結構也不盡相同，加之與其相連的裂解氣管道直徑多在1m以上，且操作溫度較高，因此裂解氣大閥的安裝要求無(wú)應力，且要考慮到裂解氣大閥及與其相關(guān)管線(xiàn)的熱應力情況。目前這一現象仍未得到有效解決，有必要就該問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的調查和研究，找出根本原因，降低乙烯裝置長(cháng)周期運行的風(fēng)險。
