循环油浆蒸汽发生器失效原因的力学分析

发布时间：2018-10-18 20:19

【摘要】：炼油厂的催化裂化分馏系统中,循环油浆蒸汽发生器是重要的换热设备,通过其冷却管程中的循环油浆,提升壳程中汽水混合物的温度,达到节能目的。但循环油浆蒸汽发生器往往在使用前期就会出现管板开裂等问题,严重的影响了设备与装置的安全平稳运行,同时还会造成较大的经济损失。因此,关于循环油浆蒸汽发生器的相关研究受到了高度重视,寻找其管板发生断裂失效的原因,采取措施以延长其使用寿命具有重要意义。本论文以循环油浆蒸汽发生器为研究对象,就其管板发生断裂失效的原因,开展以下力学分析：(1)采用HTRI软件,计算得到了循环油浆蒸汽发生器内介质的温度分布及对流传热系数,并通过有限元分析获得了循环油浆蒸汽发生器的温度场。结果表明：由于插进管板的管束内介质影响,管板温度分布与两侧受温度介质作用的无孔平板中温度分布相差很大,管板壳程侧流体影响深度明显减少。(2)采用有限元方法,考察了温度场作用下循环油浆蒸汽发生器管板表面的应力分布形式与数值大小。结果表明：热载荷作用下,管板两侧表面多为拉应力状态。产生该现象的原因主要有两点,一是插入管板的管束内介质温度对管板温度场的影响；二是管板表面不同分程区域之间的温度不同。结果还表明：由于各管程侧流体温度不同,管板表面温度分布也不均匀,管程侧介质温度越高,该区域管板表面拉应力越大。拉应力值较大的区域容易使循环油浆蒸汽发生器的管板发生失效。(3)分析了六种工况下管板厚度对循环油浆蒸汽发生器管板表面应力的影响。结果表明：压力载荷作用下,管板表面的最大拉应力值随着管板厚度的增加而减小;但热载荷作用下,管板表面的最大拉应力值则随着管板厚度的增加而增加,特别是壳程侧的拉应力增大尤为明显；当管板厚度超过一定数值时,温差载荷引起的拉应力会超过压力引起的拉应力,所以管板厚度并不是越大越好。(4)研究了六种工况下六管程的两种分程结构对循环油浆蒸汽发生器管板表面应力的影响。结果表明：对于管板厚度相同、分程结构不同的循环油浆蒸汽发生器,管板表面的应力的分布形式不同,但应力大小差异较小。这说明在相同管板厚度的情况下,调整分程结构不能有效地降低管板表面应力。(5)在循环油浆蒸汽发生器结构参数及工艺参数不变的情况下,仅改变管板的管程数,考察了六种工况下管程数(六管程、四管程、二管程)对循环油浆蒸汽发生器管板表面应力的影响。结果表明：管程数不同,管束排布形式不同,则管板表面高应力区域的位置就不同,虽然对于不同的管程数,管板表面应力分布形式及大小差异较小,但是管板表面高应力区域大小因管程数的不同而不同,其中二管程的高应力区域较大,四管程、六管程次之。(6)分析了六种工况下循环油浆蒸汽发生器管板厚度方向的径向应力分布。结果表明：不同工况下,该应力对管板裂纹的形成及扩展具有不同影响。其中,对于含有热载荷的工况,管板在壳程侧较小厚度范围内存在较大拉应力,增大了形成裂纹的可能性；但是在管板中间厚度范围内存在压应力,能阻碍裂纹沿管板厚度方向上的扩展；而管板在管程侧较小厚度上的应力分布因工况的不同而不同。(7)本论文研究表明浮头换热器的管板设计若不考虑热应力的作用,在冷热流体温差大并且管板较厚的情况下,会产生不安全的结果,本论文分析的循环油浆蒸汽发生器就是典型的例子,也就是说,由于未考虑管板热应力,循环油浆蒸汽发生器中关于管板的强度设计可能是不安全的。
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【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE965

【参考文献】