段少麗 (武漢交通職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,湖北武漢430065)

姜忠寶 (武漢軍械士官學(xué)校教務(wù)科,湖北武漢430075)

旋風(fēng)分離器是利用旋轉(zhuǎn)氣流的離心力將氣、固兩相流中的固體顆粒甩到器壁,達(dá)到分離目的的一種除塵裝置[1]。由于它本身無運(yùn)轉(zhuǎn)部件,工作穩(wěn)定可靠,造價(jià)低,處理單位空氣量所占空間小,能承受高溫、高壓、高濃度等苛刻條件,且使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械制造、糧食與飼料工業(yè)及環(huán)保工程中。近年來,旋風(fēng)分離器在結(jié)構(gòu)形式、分離機(jī)理及流場(chǎng)分析等方面的研究已進(jìn)入新的的階段,許多經(jīng)驗(yàn)公式在流體力學(xué)、幾何結(jié)構(gòu)學(xué)及相似理論等指導(dǎo)下不斷完善[2]。三級(jí)旋風(fēng)分離器是煉油廠催化裂化再生煙氣能量回收裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一,目前國(guó)內(nèi)常用的是立置多管式三級(jí)旋風(fēng)分離器,它的工作狀況直接影響到整個(gè)裝置的能耗和經(jīng)濟(jì)效益,如果三級(jí)旋風(fēng)分離器失效,會(huì)造成煙機(jī)入口粉塵濃度和顆粒直徑嚴(yán)重超標(biāo),煙機(jī)不能正常運(yùn)行,煙氣能量無法回收,因此有必要對(duì)三級(jí)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行失效分析,以便有的放矢地對(duì)其進(jìn)行維修或改進(jìn),減少損失。

國(guó)內(nèi)不少用于重油催化裂化的多管式三級(jí)旋風(fēng)分離器在經(jīng)過長(zhǎng)期高溫使用后,很容易發(fā)生高溫失穩(wěn),有時(shí)甚至破裂,尤其下隔板的變形最為嚴(yán)重;另外還常見套管傾斜和單管被結(jié)焦堵塞或流通不暢的現(xiàn)象。用于重油催化裂化的多管式三級(jí)旋風(fēng)分離器在實(shí)際操作中除了承受靜載荷的作用外,還承受風(fēng)載荷、地震載荷以及由于流體流量、流速變化引起的壓力脈動(dòng)和溫度變化引起的溫度脈動(dòng)等動(dòng)載荷的作用,所以三級(jí)旋風(fēng)分離器的失效不僅有靜態(tài)因素的影響,而且還有動(dòng)態(tài)因素的影響,忽略了哪一方面都無法對(duì)其進(jìn)行正確的失效原因判斷,從而無法對(duì)其進(jìn)行合理的維修、改進(jìn)設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面,筆者以目前國(guó)內(nèi)在煉油廠中最常用的立置多管式三級(jí)旋風(fēng)分離器為對(duì)象進(jìn)行分析。

圖1 分離器結(jié)構(gòu)和上、下隔板的壓力載荷示意圖

1 三級(jí)旋風(fēng)分離器

三級(jí)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)為壓力外殼加吊筒式的雙層隔板結(jié)構(gòu),吊桶、上、下隔板、套筒和單管是三級(jí)旋風(fēng)分離器最關(guān)鍵的部分。上、下隔板將三級(jí)旋風(fēng)分離器分割成3個(gè)室 (見圖1):集氣室a、氣體分配室b、集塵室c,煙氣的分離過程在氣體分配室b中完成,而凈化的氣體上升進(jìn)入集氣室a,固體顆粒則下落到集塵室c。典型的多管式旋風(fēng)分離器分離各種催化劑顆粒的效率為:5μ m可除去91%,10μ m可除去99%,12μ m以上的顆粒可全部除凈。

2 失效原因分析

2.1 靜態(tài)因素的影響

三級(jí)旋風(fēng)分離器的上、下隔板都為向上凸的拱形,因此,上隔板承受內(nèi)壓P上,而下隔板則承受外壓P下,如圖1所示。分離器在工作時(shí),煙氣從進(jìn)口進(jìn)入到氣體分配室b時(shí),形成一個(gè)相對(duì)高壓區(qū),壓力P1=0.2～0.3MPa,而后氣體上升進(jìn)入集氣室a,這時(shí)的氣體相對(duì)緩和,壓力P2＜P1,由于集塵室c中是從煙氣中分離出來的固體,壓強(qiáng)相對(duì)最小,壓力P3＜P2。因此下隔板承受的外壓比上隔板承受的內(nèi)壓要大得多,即P上＜P下。根據(jù)上、下隔板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:

可知,下隔板承受的應(yīng)力要遠(yuǎn)大于上隔板的應(yīng)力,由于上、下隔板上分布著幾十個(gè)單管,在單管和隔板的連接處很容易形成應(yīng)力集中,這使得下隔板的應(yīng)變比上隔板及其他部位都大得多。其中,σ為前向拉伸應(yīng)力;P為上、下隔板上所承受的壓力差;D為上、下隔板的球形曲率直徑;δe為當(dāng)量壁厚,考慮到開口削薄及焊接等承載因素,將設(shè)計(jì)壁厚等效成當(dāng)量壁厚;[σ]t為許用應(yīng)力,該應(yīng)力大小隨溫度的變化而變化。

另外,下隔板除了承受自身的重力外,還要承受分離單管及吊筒等其他部件的重力。文獻(xiàn) [3]對(duì)分離器載運(yùn)行操作壓力載荷下的應(yīng)力和變形進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)分離器損壞的主要原因是上下隔板結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不合理而使下隔板和套管產(chǎn)生過大變形導(dǎo)致單管旋流部分脫出。

在大型煉油廠催化裂化裝置中,再生器排出的煙氣溫度在650℃以上,尤其是在發(fā)生短期超高溫(800℃以上)下,往往會(huì)發(fā)生局部凹陷,嚴(yán)重時(shí)下隔板整個(gè)翻了過去,造成整體失穩(wěn)。研究表明,在溫度超過650℃以后,上、下隔板所用的不銹鋼材料的力學(xué)性能急劇下降,導(dǎo)致了立置三級(jí)旋風(fēng)分離器在使用過程中上、下隔板變形嚴(yán)重,分離效率下降,甚至完全失去分離作用[4]。

2.2 動(dòng)態(tài)因素的影響

三級(jí)旋風(fēng)分離器大都由泵 (或壓縮機(jī))來提供流體流動(dòng)的動(dòng)力,在實(shí)際工作中,泵出口開始輸出的壓力P與流量Q就并非絕對(duì)穩(wěn)定,由于泵體容積的變化或元件的缺陷,總是以一定的振蕩輸出壓力流體,尤其是當(dāng)開、停車及故障性停車將引起三級(jí)旋風(fēng)分離器吸氣和排氣的間歇性,使流體的壓力和速度發(fā)生變化,引起負(fù)荷不穩(wěn)定,即產(chǎn)生氣流脈動(dòng)。正常生產(chǎn)中也經(jīng)常發(fā)生壓力的波動(dòng),壓力波動(dòng)大概在0.05MPa左右。當(dāng)脈動(dòng)流體進(jìn)入三級(jí)旋風(fēng)分離器的管道和其他元件時(shí),如果管道或元件的剛度大,振動(dòng)阻力大且無缺陷時(shí),壓力脈動(dòng)將逐漸衰減趨于穩(wěn)定的壓力流;而當(dāng)脈動(dòng)流體的壓力振動(dòng)頻率與元件或分離器的固有頻率一致或接近時(shí),將會(huì)出現(xiàn)振幅不穩(wěn)定的共振現(xiàn)象,使分離器無法工作,甚至使元件遭到破壞。另一方面,當(dāng)分離器或元件出現(xiàn)缺陷,或外界 (如風(fēng)載荷、地震載荷等)對(duì)分離器產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí),都將會(huì)使流體因受到激勵(lì)而產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài),從而造成沖擊、振動(dòng)、噪聲和氣穴、氣蝕等現(xiàn)象使分離器失穩(wěn)[5]。

交變載荷會(huì)引起分離器各部件的振動(dòng),當(dāng)振動(dòng)量超出允許范圍之后,振動(dòng)將會(huì)影響分離器的工作性能,使分離器的部件產(chǎn)生附加的動(dòng)載荷,從而縮短其使用壽命;另外振動(dòng)常常會(huì)產(chǎn)生巨大噪音,污染環(huán)境;振動(dòng)強(qiáng)烈時(shí),甚至造成嚴(yán)重事故。如果動(dòng)載荷引起的振動(dòng)頻率和振型與靜載荷產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變疊加,或產(chǎn)生某階固有頻率下的共振,都會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的變形和破壞,如在應(yīng)力集中的局部區(qū)域,當(dāng)交變載荷作用時(shí)會(huì)造成疲勞失效;在低溫或使用高強(qiáng)鋼時(shí)還可能產(chǎn)生脆性斷裂。當(dāng)分離器中的壓力脈動(dòng)作用在分離器部件的連接處或是拐彎處,就成為激發(fā)管道系統(tǒng)作機(jī)械振動(dòng)的激發(fā)力。氣流脈動(dòng)激發(fā)結(jié)構(gòu)作機(jī)械振動(dòng),結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反過來又會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng),氣流脈動(dòng)引起振動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率相同時(shí),就會(huì)發(fā)生共振,這樣應(yīng)力集中部位受到的影響比其他部位大得多,使應(yīng)力集中部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力或應(yīng)變波動(dòng),從而形成斷紋源。該斷裂紋輕者使變形加劇,重者甚至產(chǎn)生斷裂或爆炸,使介質(zhì)泄漏污染環(huán)境,造成人員傷亡等嚴(yán)重的后果。

另外,在正常操作時(shí),因負(fù)荷的波動(dòng)和操作原因,煙氣的流量和流速發(fā)生變化,使物料產(chǎn)生偏流,造成三級(jí)旋風(fēng)分離器的分離單管堵塞,從而使旋風(fēng)分離器負(fù)荷增大,出現(xiàn)套管和分離單管嚴(yán)重脫離的現(xiàn)象。同時(shí),由于流體中存在的固體顆粒對(duì)分離器器壁的不斷沖刷,尤其是有脈動(dòng)時(shí)的間歇性沖刷使分離器出現(xiàn)沖刷腐蝕,有缺陷的部位會(huì)出現(xiàn)穿孔。

因此,要使過程設(shè)備安全可靠地運(yùn)行,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)因素,分析和解決振動(dòng)問題。

3 結(jié) 語(yǔ)

三級(jí)旋風(fēng)分離器在實(shí)際工作中要承受各種各樣的載荷,不同的載荷對(duì)其的影響也不同,分離器的失效損壞是多種因素綜合的結(jié)果。不僅有機(jī)械載荷,而且有熱載荷,并且這些載荷往往都發(fā)生交變,靜載荷產(chǎn)生的應(yīng)力集中及交變載荷的振動(dòng)成為影響分離器工作的最大的威脅。為了保證分離器的安全可靠的工作,應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn),在保證其工作效率和工作性能不受影響的前提下,采取相應(yīng)的措施來提高設(shè)備的剛度和強(qiáng)度,減少部件的振動(dòng)和流體脈動(dòng)。

通過分析可以發(fā)現(xiàn),在三級(jí)旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)中不僅要考慮靜載荷的影響,而且不能忽視動(dòng)載荷尤其是交變載荷的影響,如何在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)兩者兼顧成為今后的工作重點(diǎn)及難點(diǎn),有待進(jìn)一步的研究。

[1]張艷輝,劉有智,霍紅,等.旋風(fēng)除塵器的研究進(jìn)展[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào),1998(4):324-328.

[2]宋賢良,朱利.軸對(duì)稱進(jìn)口旋風(fēng)分離器性能的研究 [J].鄭州工程學(xué)院學(xué)報(bào),2000(4):34-37.

[3]趙培錄,姜華,段少麗,等.重油催化裂化多管式旋風(fēng)分離器損壞分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J].化工設(shè)備與防腐蝕 [技術(shù)產(chǎn)品版],2004(1):27-30.

[4]李振興,權(quán)軍勝.催化裂化立管式與臥管式三旋的綜合分析比較 [J].石油化工設(shè)備技術(shù) [靜設(shè)備],1997,18(4):7-10.

[5]祁仁俊.液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)的機(jī)理 [J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(9):1017-1022.