某石化企業(yè)裂解爐切換大閥在使用約半年后出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，隨后又有兩臺(tái)相同型號(hào)的閥門(mén)也相繼出現(xiàn)了開(kāi)關(guān)不暢的現(xiàn)象。本文針對(duì)這種異常情況進(jìn)行了分析，將通過(guò)管線應(yīng)力計(jì)算得到的載荷施加到閥門(mén)上進(jìn)行有限元計(jì)算，結(jié)果顯示在此管口載荷作用下，閥門(mén)會(huì)出現(xiàn)輕微的變形;并且相應(yīng)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(xiàn)較為嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)不暢現(xiàn)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(xiàn)象，隨后又有兩臺(tái)類似的閥門(mén)也相繼出現(xiàn)了同樣的問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)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。但是在管線正常運(yùn)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(zhǎng)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(yùn)行的隱患。

　　本文針對(duì)閥門(mén)開(kāi)關(guān)困難的這一異常現(xiàn)象，對(duì)裂解爐切換大閥及相關(guān)管線進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，提出一些建設(shè)性的改進(jìn)措施。

2、管線和閥門(mén)參數(shù)

　　與閥門(mén)相關(guān)管線的基本參數(shù)見(jiàn)表1。裂解爐切換大閥的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 閥門(mén)計(jì)算參數(shù)

3、有限元模型建立及計(jì)算結(jié)果

　　分析閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，閥門(mén)及其相關(guān)管線的受力情況。將通過(guò)管系應(yīng)力計(jì)算提取的管口載荷加載到閥門(mén)上，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行分析，從而得到在熱態(tài)管系應(yīng)力作用下，裂解爐切換閥門(mén)的變形及應(yīng)力分布情況。

　　3.1、管線模型的建立及計(jì)算結(jié)果

　　本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS6.8對(duì)管線進(jìn)行前后處理與分析計(jì)算。管線模型采用PIPE32單元，共有6276個(gè)單元，18836個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型如圖1所示。該管線約束分為可變彈簧、恒力彈簧、固定支架和導(dǎo)向架4種類型。

圖1 管線的有限元模型

　　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(jì)算管線時(shí)，需要通過(guò)合理方式模擬此剛性連接。

　　應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示在裂解爐切換大閥上的10”小閥進(jìn)口端管線的應(yīng)力較大，最大值達(dá)到了100MPa以上，而小閥出口端管線的應(yīng)力比較小。管口載荷方各如圖2所示，從管系應(yīng)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(jì)算結(jié)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(duì)閥門(mén)進(jìn)行前后處理與分析計(jì)算，將上述管系應(yīng)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(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，從圖中我們可以看出閥門(mén)最大應(yīng)力為253MPa，位于大小閥相連處的肋板上。閥門(mén)變形的計(jì)算結(jié)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(duì)于大閥門(mén)有一個(gè)扭轉(zhuǎn)。通過(guò)有限元分析可以計(jì)算出小閥門(mén)相對(duì)于大閥門(mén)的最大位移量達(dá)到了3~4mm。

圖6 閥門(mén)的當(dāng)量應(yīng)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(jié)論

　　通過(guò)有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與裂解氣切換閥上的小閥進(jìn)口端管線應(yīng)力很大，雖然其應(yīng)力水平在管線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，不至于使得管線產(chǎn)生破壞。然而高的管線應(yīng)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(dǎo)致閥門(mén)開(kāi)關(guān)不暢原因之一。

　　因此改進(jìn)中建議增加小管線的柔度，以便有效地減小進(jìn)口端小管線在熱態(tài)下的應(yīng)力水平。

4、建議

　　裂解氣大閥開(kāi)關(guān)不暢是乙烯裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的安全隱患，中國(guó)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(yáng)子、燕山)都存在大閥開(kāi)關(guān)不暢的情況。據(jù)了解，國(guó)外乙烯裝置裂解氣大閥也存在開(kāi)關(guān)困難問(wèn)題的類似問(wèn)題。裂解氣大閥的使用情況與安裝和維護(hù)是密切相關(guān)的，對(duì)于Z&J閥，本身體型龐大(一個(gè)裂解氣大閥的重量達(dá)幾噸，甚至十噸以上)，結(jié)構(gòu)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(yīng)力，且要考慮到裂解氣大閥及與其相關(guān)管線的熱應(yīng)力情況。目前這一現(xiàn)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(diào)查和研究，找出根本原因，降低乙烯裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。