管式加 热炉 一般都在高温 、高压和腐蚀性介质 中长期工 作 ,这就 需要对管式加热炉的主要承压部件进行 科学合理 的设计 。根据其工 作条件 ,在设计时除 了应选择适宜的材质外,炉 管壁厚 的确定显得尤 为重 要 。 1 炉管壁厚 的计算方法 石 油化工管式炉 的操作条件各不相 同,炉 管 壁温也有很大差别 ,在较低温度下操作的炉管, 蠕变效果不存 在或很弱可 以忽略 ,管壁 金属亦在 弹性范 围内工 作;而在较高温度下操作 的炉管 , 管壁金属温度达到足 以产生显著蠕变 时,炉管会 在腐蚀或氧化并不严重时 由于蠕变一 断裂而失效 。 因此 ,炉 管壁 厚计算 应按 下列三 种情 况进 行 : a. 设计温度低于材料蠕变断裂温度下限时采用 弹性设计; b. 设计温度高于材料蠕变断裂温度下 限时采用 断裂设 计 ; c. 设计温 度 处于 材料 蠕变 断裂 温度 下 限 附近 时 应分别按上述 两种方法设计 ,取其较 大值作为计 算壁 厚 。 材料的蠕变断裂温度 下限是指弹性许用应力 和断裂许用应力 曲线交点下的温度。 1. 1应力厚度和最小计算厚度 1. 1. 1弹 性设计 :设计 基础 是当腐蚀 裕量 已经耗 尽 , 接近 设计寿命末期 时,防止在最 高压力下 ( 接近P) 由于破 裂而损坏 。应 力厚度 s s和 最小计 算厚度 S 按 以下两式计算 : S。 =1 9。 DJ (2 [ o ] 。 +p ) 或 S。 =p。 D / (2 [ o ] 。 一 P。 ) Sm = S。 + C 式中:S ——应力厚度 ,mm; S ——最小计算厚度,Inn'li P 。 ——弹性设计压力,Mpa; D。 —— 炉管外径,mnl l Di— — 炉管 内径 ,1 TU TI; [ o ] 。 —— 弹性 许用 应力 ,Mpa; C —— 腐蚀 裕量 ,rnrn。 1. 1. 22 变. 断裂设计 :设计基础 是在设 计寿命期 间, 防止 由于 蠕变 一 断裂 而破 坏 。Ss~1 ]Sm按下 面两 式计 算 : ; S。 =pfDo / (2 [ o ] r+pr) 或S =p Di/ (2 [ 0 ] 一 P ) S = S 。 + f C 式中: P —— 蠕变一 断裂设计压力 ,Mpa; [ o ] —— 蠕 变一 断裂 许用 应力 ,Mpa; f —— 腐蚀分数 。 1. 2 平 均壁 厚和最 小 工程壁 厚 炉管平均壁厚S 按下式计算并按有关管材标准 的壁厚系列 向上圆整: Sa =Sm / (1— 0. 125) 无 论计 算 和 圆整后 的壁厚 是 多少 ,新 设计 的炉管壁 厚采用值不得 小于规定的最小工程壁厚 ( 经验值,可在相关资料 中查取) 。 表 1最小工程壁厚汇总表 作者简介:李瑞秋 (1967一 ) ,女,蒙古族,内蒙赤峰人,大学 本科 ,高级工程 师 ,宁夏 宝塔石化集 团设计 院副院长 ,从 事石油 化工设 备设计 工作 。 一1 4一 ■ 论文广场 蔡河 生 热 力 管 道 的 柔 性 与 热 应力 判 断 石 油 与 化 工 设 备 201 0年 第1 3卷 1_3 设计 压力 1. 3. 1弹性 设计压力 :用安全 系数 的方法计算 弹性 设 计压力,即 po=J P 式 中:P ——炉管在短期 内可能 出现 的最高 压力 ,Mpa; J —— 安 全 系数 ,被 加热 介 质 为液 相 时 , J= l ;为汽相 时J= 1. 1~ 1. 25。 1. 3. 2断裂 设计压 力:断裂 设计压 力一般 取正常操 作 时炉管所承受的最高压力 。 1. 4 许用应力 1. 4. 1弹性许 用应 力 :对 于铁素体 钢取设 计温度 下屈 服强 度 的三 分之 二 ,对 奥 氏体 钢取设 计温度 下屈服 强度的90%。 1. 4. 2断 裂 许用 应 力 :石 油 化 工管 式 炉 炉管 材 料 的 许用 应 力 曲线 ( 拉 申. 米勒 尔 曲线 ) 可在 AP I530和 SHJ37中查取 。 1. 5 最高管壁金属温度 设计 的最高管壁金属温度是 由计算得 出的最 高管壁金属温度或 当量管壁金属温度再加上适量 的温 度 裕 量确 定 的 。通 常 情 况 下 ,最 高 金 属 管壁 温度在设计计算 中是已知数,温度裕量是设计金 属温度的一部分 ,它包括 了工艺过程 的变化或烟 气温度场或流动场 的不均匀性 ,操作 中的未知因 素 及 设 计 中 的不 准 确 性 等 。当 炉管 内无 化 学 反应 时,温度 裕量 取 15℃ ,有 化学 反应 时取28— 30~ C 。 1. 6 腐蚀裕量和腐蚀分数 1. 6. 1 腐蚀裕量:当有确切的腐蚀速率时,腐蚀裕量 可按下式计算: C = r L d;式中:r表示腐蚀速率,mm/ a;Ld表 示设计寿命,单位a ( 年 ) 。 目前 ,国内石油化工厂还缺乏可靠的炉管腐 蚀速率实测值。当无可靠的腐蚀速率 时,可按下 列数据选取腐蚀裕量: 炉管材质为碳钢时,取C=3mm; 炉 管 材 料 为 铬 钼 合 金 钢 时 , 取 腐 蚀 裕 量 C = 2mm ; 炉 管材料 为不 锈钢 时取 C=l mm 。 ’1. 6. 2 腐蚀分数 :对 于管式加热炉壁 厚设计而言 ,为 了安全起见,腐蚀分数取 1,即 l 。 1. 7 热应力 校核 按弹性设计确定 的壁厚 ,应做热应力校核。 校核包括两个方面: 管壁最高热应力 o 不应高于一次应力加二次 应力强度限制值[ o ] 即 o ≤[ o th l 管壁最高热应力 o th不应高于热应力棘齿限制 [ o ]m 2,即 o fh≤[ O th 2 管壁 最高热应 力 O 可按下 式计 算 : o h= X [2Y × InY / (Y 一 1) 一 1] ; 式 中 : X =A eqD 0 /( 4 入 一 入wO ;Y =Do / D I 对 于 铁 素 体 钢 [ O thl =2 0 一Y o P;[ 0 th 2 O s —O P ; 对于 奥 氏体 钢 [ o t hl : 2. 7 0 一Y O P;[ o ]【 h 2: 4 ( 1. 35 0 一 o P) ; O P = P。( Y + 1) / [2(Y 一 1)] 2 某加氢炉炉 管壁厚设计应用举例 已知条件:加氢炉最高操作压力15Mpa,最 高管壁金属温度520~ C ,炉管外表面积平均热强度 q=35500W/ m ,炉管材质为A STM T P347,炉管外 径 = 152mm, 设计 寿命 为 100000h,进行 该 加热 炉炉 管壁 厚设计 。 设 计计算 :温度 裕 量取 1 5 ℃,设计温 度为 520 ℃+ 15℃= 535 ℃ ,设 计 压 力 P。 = 1. 1× 15= 16. 5 M pa 。 许用应力[ o ]。 =125 Mpa;[ o ]r=130Mpa;应力 厚 度 S。 =p。 D / (2 [ o ] 。 一 P。 )=9. 89mm , S =prD, / (2 [ o ] 一 pr)=8. 57mm,经过对 比应 力厚度取值S =9. 89mm,腐蚀裕度取lmm,最小计 算壁厚为s =9. 89+1=10. 89mm, 平均壁厚Sa =l0. 89÷ ( 1- - 0. 125) =12. 446mm。平均壁厚 ( 公称壁厚取 值 ) S = 14mm。 热应力校核:平均线膨胀系数 Q=18. 67× 10 1 / K ,弹性系数 E=I. 52× 10 Mpa,导热系数 入 =24. 5W/ mK ;泊桑 比 v =0. 3,计算系数 X =223. 2,Y =I. 169,管壁最高热应力为: 0 th= 36 . 68 M pa (下转28页) 7 7 0 O 0 0 3 7 2 2 3 3 3 3 3 3 O 3 5 7 O 2 2 l 5 5 5 5 6 6 7 8 2 4U 7 1M 2 8 9 3 4 5 6 7 8 9 U 28一 ■ 论文广场 石 油 与 化 工 设 备 2010年第 13卷 图3法兰在预紧状态下施加内压后的应力图 4 结 论 法兰接头在承受 内压时,螺母与 上法兰相接 触位置是法 兰系统 中应力强度最大的地方,在封 头 与 法 兰环 的连 接 处 , 由于 几 何 形状 的 不连 续 造 成的边缘应力也相当大, 因此不仅受 到轴 向的拉 应 力 ,还 受 到弯 曲力 矩 的 作 用 。在 拉 应 力和 弯 曲 应力的共同作用下,整个螺栓发生 了弯 曲变形。 图4螺栓应力图 ◆ 参考文 献 『 l 1 S teele C R ,Steele M L 。