Опорное устройство для крепления реакторов установок замедленного коксования
SUPPORTING DEVICE FOR FASTENING THE REACTORS OF DELAYED COKING UNITS

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности и может быть использовано для монтажа вертикальных аппаратов, например реакторов установок замедленного коксования (УЗК).
В корпусе аппаратов, работающих в циклическом режиме «нагрев-охлаждение», например, таких как реакторы УЗК, возникают знакопеременные термические напряжения, достигающие значительных величин в местах крепления корпуса к опоре. В сварном шве соединения корпуса с опорой образуются усталостные трещины [Походенко Н.Т., Брондз Б.И. Эксплуатация и пути повышения надежности работы реакторов установок замедленного коксования. - М., 1980. - 56 с. Сер. Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности: Тематический обзор / ЦНИИТЭнефтехим]. Величина напряжений и скорость образования термоусталостных трещин в сварном шве определяются как технологическими факторами (высокие скорости нагрева и охлаждения корпуса реактора), так и конструкцией опоры (повышенная жесткость опоры).
Предлагались различные варианты опорных устройств, позволяющих повысить надежность крепления реакторов УЗК.
В патенте [RU 2410595, МКИ F16M 11/00, C10B 1/04, Опора для крепления вертикальных аппаратов, 19.03.2009] предлагается опора для крепления вертикальных аппаратов, обеспечивающая повышение надежности их крепления путем снижения воздействия динамических ветровых и/или сейсмических нагрузок.
Это достигается тем, что в опоре, содержащей опорные лапы, каждая из которых представляет собой опорную пластину с ребром жесткости, к которому прикреплена с возможностью сопряжения с нижней частью аппарата криволинейная пластина, повторяющая по форме форму нижнего днища аппарата, верхняя часть ребра жесткости снабжена упругим средством для защемления аппарата, установленным с возможностью сопряжения с аппаратом.
Недостатки данного технического решения проявляются в следующем:
- вследствие значительного веса аппарата, его скольжение по криволинейным пластинам, повторяющим по форме форму нижнего днища аппарата практически невозможно. Аппарат будет неподвижен, а возникающие при его расширении нагрузки будут действовать на криволинейную пластину. При этом значительно будет увеличиваться сила трения между корпусом аппарата и криволинейными пластинами, что еще больше будет затруднять его перемещение. Вследствие высокой жесткости ребер усилие через них будет передаваться на опорную пластину. И поскольку она жестко зажата анкерными болтами и ее перемещение в радиальном направлении не предусмотрено, именно анкерные болты буду подвергаться наибольшим разрывающим нагрузкам;
- вертикальные ребра будут обеспечивать высокую жесткость опоры, вследствие чего сварные швы, соединяющие ребро с криволинейной пластиной и с опорной пластиной, будут подвергаться высоким нагрузкам, результате чего будут повреждаться, причем, поскольку ребра в нижней своей зоне, прилегающей к корпусу аппарата, создают благоприятные условия для создания высоких градиентов температур, будет резко увеличиваться трещинообразование в этих сварных швах;
- пружины находятся в зоне воздействия высоких температур, что будет существенно влиять на прочностные характеристики материала, из которого они изготовлены;
- наличие дополнительных конструктивных элементов, имеющих тепловой контакт с корпусом аппарата, будет способствовать значительным потерям тепла, для снижения которых потребуется усложнить конструкцию теплоизоляции.
Известна опорная конструкция для реактора УЗК, предложенная в патенте [US 8221591, МКИ С10В 7/14, Coking drum support system, 17.06.2012], обеспечивающая удержание реактора коксования с нижним днищем конической формы на основании. Она содержит цилиндрическую юбку с приваренной к ней конической опорной обечайкой, которая сопрягается с коническим днищем реактора. Соединение юбки с конической обечайкой усилено с помощью радиальных ребер жесткости.
Изобретение предназначено для повышения надежности конструкции за счет возможности свободного перемещения корпуса относительно кольцевой опоры для снижения нагрузок в сварных швах.
Основной недостаток данной конструкции заключается в том, что вследствие значительного веса реактора радиальное усилие, действующее на сварной шов, соединяющий цилиндрическую юбку с конической обечайкой, а также сама юбка будет подвергаться значительным нагрузкам, что может привести к их повреждению в процессе эксплуатации. Кроме того, осевые деформации корпуса реактора (искривление вдоль оси) будут создавать дополнительные нагрузки на опору и ребра жесткости, что также буде способствовать возникновению повреждений.
Известна поддерживающая конструкция аппарата, подстраивающая под термический цикл, представленная в патенте [US 9643145, МКИ C10B 29/04, Pressure vessel restraint for accommodating thermal cycling, 09.05.2017] состоящая из цилиндрического корпуса, и соединенной с ним цилиндрической юбки с нижним фланцем, в котором имеются прямоугольные прорези. Крепление аппарата к основанию осуществляется с помощью фигурных элементов с ребрами, входящими в эти прорези с зазором.
Фигурные элементы ограничивают в заданных пределах вертикальные перемещения аппарата за счет зазора между ними и нижним фланцем цилиндрической юбки.
Устройство позволяет аппарату свободно перемещаться в горизонтальной плоскости при температурных расширениях (сжатиях) корпуса.
Недостатки данного аналога заключаются в следующем:
- конструкция опорного устройства достаточно сложная, вследствие сложной формы фигурных элементов, так множества отверстий для их закрепления;
- наличие большого количества сопрягаемых поверхностей в узлах крепления будет создавать проблемы для перемещения в горизонтальной плоскости при температурных расширениях (сжатиях) корпуса, из-за возможных перекосов, вызванных искривлением оси аппарата вследствие существенной неоднородности температурного поля внутри аппарата при проведении операций коксования и охлаждения кокса, а также вследствие возможного повреждения сопрягаемых поверхностей фигурных элементов и прорезей в нижнем фланце цилиндрической юбки;
- кроме того осевые искривления корпуса аппарата будут способствовать заклиниванию элементов узлов крепления и их повреждению.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является юбочная опора для реакторов УЗК, предложенная в патенте [US 7871500, МКИ C10B 29/04, Coke drum skirt, 18.01.2011]. Изобретение направлено на снижение напряжений в корпусе реактора и его опорных конструкциях, возникающих в ходе технологических операций, что обеспечивает повышение надежности эксплуатации реактора.
Опора для установки содержит горизонтальную центрирующую пластину, по которой могут перемещаться присоединенные к реактору через подкладной лист опоры, состоящие из горизонтальной опорной пластины и 2-х ребер. За счет того, что горизонтальная опорная пластина выполнена из материала с низким коэффициентом трения, обеспечивается облегченное ее скольжение по поверхности центрирующей пластины.
Для удержания аппарата от опрокидывания используются клипсы, крепящиеся с помощью болтов с гайками к постаменту.
Крепежные элементы клипс могут иметь прорези, обеспечивающие свободное прохождение внутрь них ребер при радиальных перемещениях опор вследствие температурных деформаций корпуса реактора.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- значительное количество опор будет приводить к тому, что при температурных деформациях корпуса реактора (осевых и радиальных) в рабочих условиях будет происходить заклинивание в клипсах;
- изготовление элементов опор из антифрикционных материалов не позволит обеспечить требуемые их прочностные характеристики вследствие того, что потребуется производить сварку разнородных материалов;
- в случае применения антифрикционных покрытий для конструкционных элементов, существенно возрастут затраты на изготовление опор;
- конструктивное исполнение опор создает благоприятные условия для возникновения больших градиентов температур в сварных швах соединения корпуса реактора с подкладным листом и подкладного листа с ребрами опоры, что будет способствовать появлению в них повреждений в ходе эксплуатации.
Анализ рассмотренных технических решений позволяет сделать вывод о том, что для устранения условий для возникновения повреждений в опорных конструкциях реакторов установок замедленного коксования следует обеспечить радиальное перемещение конструктивных элементов опор и возможность углового поворота аппарата в опорной конструкции.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении надежности закрепления вертикальных аппаратов путем снижения нагрузок, возникающих в результате термического расширения корпуса аппарата.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Опорное устройство для крепления реакторов установок замедленного коксования содержит лапы для установки реактора на постамент, каждая  из которых состоит из опорной пластины с ребрами жесткости, прикрепляемыми  к криволинейной пластине, соединенной с корпусом реактора и повторяющей его форму, причем опорная пластина лапы имеет возможность перемещения в радиальном направлении по опорной поверхности постамента, а вертикальное перемещение и переворачивание аппарата ограничено крепежными элементами, состоящими из анкерных болтов, пропущенных через соосные отверстия в опорных пластинах лап и постамента, пружинных шайб и гаек. В отличие от прототипа опорная поверхность постамента выполнена криволинейной в радиальном направлении, причем ее высота над постаментом изменяется таким образом, что в центре над постаментом она наибольшая, а в начале и на конце - наименьшая.
Установка дополнительно на анкерном болте каждой из лап, фиксирующих шайбы и пружины, позволяет обеспечивать постоянное поджатие всех элементов соединения при перемещениях корпуса реактора, происходящих во время его эксплуатации.
Установка пластины из антифрикционного материала между опорной пластиной каждой лапы и постаментом улучшит условия перемещения лап, вследствие снижения силы трения между опорной пластиной и постаментом.
Таким образом, заявляемая опора для крепления вертикальных аппаратов соответствует критерию изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется следующими фигурами.
На Фиг.1 показан общий вид опорного устройства, совмещенный с разрезом;
На Фиг.2 - вид сбоку на опорное устройство;
На Фиг.3 - увеличенное изображение опорного устройства.
Опорное устройство для крепления реакторов установок замедленного коксования, содержит лапы для установки реактора 1 на постамент 2, каждая из которых состоит из опорной пластины 3 с ребрами жесткости 4, прикрепляемыми к криволинейному подкладному листу 5, соединенному с корпусом реактора 1 известными способами и повторяющим его форму.
Опорная пластина 3 лапы имеет возможность перемещения в радиальном направлении по опорной поверхности постамента 2.
Вертикальное перемещение ограничено крепежными элементами, состоящими из анкерных болтов 6, пропущенных через отверстия в опорных пластинах 3 и постаменте 5, пружин 7, шайб 8 и гаек 9.
Дополнительно установлены фиксирующие шайбы 10 и 11, препятствующие радиальному смещению витков пружины 7 относительно оси анкерного болта 6.
Опорная поверхность постамента криволинейна в радиальном направлении, и изменяется таким образом, что в центре имеет наибольшую высоту над постаментом, а в начале и на конце наименьшую.
Изменение высоты опорной поверхности постамента обеспечивается известными способами, например, наплавкой износостойкого материала 12.
Между опорной пластиной 3 и опорной поверхностью постамента 2 установлена пластина 13 из антифрикционного материала, например, бронзы.
Опорное устройство монтируется на бетонном основании 14 известными способами.
Работа опорного устройства осуществляется следующим образом.
При разогреве (охлаждении) реактора замедленного коксования 1 его корпус расширяется (сжимается). При этом за счет изменение размеров реактора, в результате чего происходит радиальное перемещение каждой из опорных пластин 3 по опорной поверхности постамента 2.
Вследствие значительных размеров реактора замедленного коксования и высокой неоднородности температурного поля при проведении основных технологических операций (коксование и охлаждение кокса) происходит не только радиальное изменение его размеров, но и искривление корпуса реактора 1, вследствие чего происходит и поворот опорных пластин 3 на небольшой угол, причем этот угол зависит самым случайным образом от параметров текущего технологического режима.
Скольжение опорной пластины 3 по криволинейной поверхности постамента 2 обеспечивает снижение нагрузок, как на корпус реактора замедленного коксования 1, так и на соединение опорного устройства с корпусом (сварной шов между криволинейным подкладным листом 5 и корпусом 1).
Установка пластины 13, изготовленной из антифрикционного материала, позволяет улучшить скольжение, что обеспечивает еще более высокое снижение нагрузок.
Кроме того, эта дополнительная пластина 13 ухудшает теплоотвод от лапы к постаменту, что снижает градиент температуры в зоне сварных соединений подкладного листа 5 с корпусом реактора, что снижает термические напряжения, вызванные неодинаковым линейным расширением корпуса реактора 1 и подкладного листа 5.
Анкерные болты 6, пропущенные через отверстия в опорных пластинах 3 и постаменте 5, и зафиксированные с помощью шайб 8 и гаек 9 ограничивают вертикальное перемещение.
Дополнительно на каждый фундаментный болт установлены фиксирующие шайбы 10 и 11 препятствуют радиальному смещению витков пружины 7 относительно оси анкерного болта 6, который в процессе работы реактора меняет свое положение вследствие термических деформаций корпуса и изменения положения опорных лап.
Поскольку пружины 7 размещены внутри постамента, их нагрев излучением от корпуса реактора не происходит, вследствие чего ухудшения их технических характеристик вследствие высокотемпературного воздействия не происходит.
Использование предлагаемого опорного устройства позволит по сравнению с прототипом:
- снизить повреждаемость корпусов реакторов замедленного коксования;
- увеличить их межремонтный пробег;
- уменьшить сроки проведения ремонтных работ;
- снизить затраты материальных ресурсов на проведение ремонтных работ;
- увеличить надежность крепления реакторов за счет снижения нагрузок, возникающих в результате термических деформаций их корпуса.
Уменьшение сроков проведения ремонтов реакторов позволяет значительно увеличить производительность установок замедленного коксования.
Изготовление предлагаемой опорного устройства не представляет сложностей для машиностроительных предприятий, производящих оборудование для нефтепереработки.
Монтаж и обслуживание предлагаемого опорного устройства могут быть обеспечены в рамках типовых работ, выполняемых строительно-монтажными организациями на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях.