陳孫藝

（茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名 525024）

大型加熱爐局部結(jié)構(gòu)的選優(yōu)設(shè)計

陳孫藝

（茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名 525024）

為了促進石化加熱爐大型化高等級整體模塊化建造技術(shù)發(fā)展，綜述了提高模塊局部結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的四方面主要技術(shù)內(nèi)容。三維實體模擬方面包括結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動態(tài)模型，結(jié)構(gòu)細節(jié)優(yōu)化方面包括支承系統(tǒng)的等強度管板設(shè)計和影響熱效率的集合管流向設(shè)計，安全防護設(shè)計方面包括結(jié)構(gòu)成本、安全防腐、事故工況設(shè)計和整體全壽命改善設(shè)計，熱效率及智能控制方面包括管件穿過墻殼的密封、煙氣折流、操作的優(yōu)化控制。建議大型模塊化的發(fā)展以單位結(jié)構(gòu)容積的產(chǎn)能規(guī)模最大化為方向。

加熱爐；模塊化結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；質(zhì)量保證；結(jié)構(gòu)改進

加熱爐大型化發(fā)展中，工程和設(shè)計對制造的引領(lǐng)至關(guān)重要，近十年來，加熱爐的模塊化建造技術(shù)得到廣泛的工程應(yīng)用，從設(shè)計與制造、設(shè)計與國際項目管理、整體與部件設(shè)計等不同角度的基本設(shè)計技術(shù)總結(jié)都有報道[1-5]，但是沒有進一步提高設(shè)計質(zhì)量的專題內(nèi)容。相關(guān)標準SH/T 3415—2005《高頻電阻焊螺旋翅片管》、SH/T 3036—2012《一般煉油裝置用火焰加熱爐》和HG/T 20659—2014《化學工業(yè)管式爐對流段模塊技術(shù)規(guī)范》側(cè)重于行業(yè)技術(shù)或檢驗要求，沒有反映產(chǎn)品質(zhì)量的企業(yè)個性。設(shè)計院加熱爐專家所擁有的豐富經(jīng)驗不一定直白地表達在論文、標準條文和技術(shù)要求中，而制造廠設(shè)計人員對加熱爐結(jié)構(gòu)本質(zhì)的深層次認識不足，就可能使施工圖設(shè)計及產(chǎn)品制造無法完全反映工程圖的技術(shù)本意。因此，加熱爐供應(yīng)商應(yīng)深入分析項目特點、把握加熱爐的關(guān)鍵、優(yōu)化細節(jié)、主動思考，創(chuàng)新質(zhì)量保證對策。

模塊化的設(shè)計技術(shù)質(zhì)量已從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全和換熱高效方面，更多擴展到針對同類結(jié)構(gòu)因載荷差異的結(jié)構(gòu)細分、維護檢修困難、更新改造成本高的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)上，經(jīng)過設(shè)計深化后，技術(shù)手段和技術(shù)內(nèi)容都具有一系列新的特色。

1 三維實體模擬技術(shù)

（1） 結(jié)構(gòu)靜態(tài)模型

即便是同類裝置、同等規(guī)模的諸多加熱爐，各自都具有個性化的特點，在不同的項目中需要重新設(shè)計。根據(jù)加熱爐模塊化建造中安裝階段暴露出的問題進行總結(jié)，有必要在設(shè)計階段通過類似圖1但是更加全面完整的三維立體圖再轉(zhuǎn)化為AutoCAD二維平面圖進行模塊制造，可解決不少問題。在三維圖中進行整體模型實時漫游、模擬與碰撞檢查，以及施工進度模擬等，可實體考察整體結(jié)構(gòu)布局，從QHSE的角度判斷其合理性及存在的問題，提高設(shè)計質(zhì)量，也方便工程交流和管理。

圖1 加熱爐模型Fig.1 Modular of furnace

Tekla Structures 是芬蘭Tekla公司開發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)建筑信息建模及詳圖設(shè)計軟件，通過首先創(chuàng)建三維模型以后自動生成鋼結(jié)構(gòu)詳圖和各種報表，能夠在材料或結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的情況下，實現(xiàn)準確細致、極易施工的三維模型建模和管理，由于圖紙與報表均以模型為準，而在三維模型中，操縱者很容易發(fā)現(xiàn)構(gòu)件之間連接有無錯誤，所以它保證了鋼結(jié)構(gòu)詳圖深化設(shè)計中構(gòu)件之間的正確性，其模型適用于從概念設(shè)計到制造、架設(shè)和施工管理的整個建筑過程。

（2） 結(jié)構(gòu)動態(tài)分析

例如，圖2所示立式集箱應(yīng)較臥式集箱有深入的分析計算。常溫下，同一集箱上組裝緊密的各爐管和端管板管孔具有均衡的支承配合關(guān)系，當盤管升溫運行，管板和集箱受熱膨脹后帶動爐管沿垂直方向位移，將產(chǎn)生兩種載荷再分配：第一，進口集箱、端管板、中間管板、出口集箱，四者的溫度依次升高，各自的垂直位移不一致，四者支承的質(zhì)量重新協(xié)調(diào)；第二，四者各自內(nèi)部的質(zhì)量再分配，這是由于若干層爐管高度處的位移累積將打破各爐管和管孔均衡的配合關(guān)系，可造成部分配合關(guān)系松弛甚至支承關(guān)系消失，同時另一部分配合關(guān)系更緊密，配合緊密的部分將使凸緣增加支承，其附加彎矩顯著。圖3展示了頂層管孔向上位移量是底層管孔向上位移量的約5倍。

圖2 立式集箱Fig.2 Vertical manifold

圖3 管板位移分析Fig.3 Displacement analysis of tube sheet

相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計對策：首先，是從結(jié)構(gòu)支點的確定上使四者的垂直熱位移方向要一致；其次，是對四者在加熱爐開車升溫、高溫運行、停車降溫動態(tài)過程的熱位移應(yīng)力進行計算校核，如果應(yīng)力水平較高，增加集箱與其相鄰的端管板的距離可提高結(jié)構(gòu)柔度，有利于降低這兩種載荷再分配引起的應(yīng)力。

（3） 周邊運行動態(tài)

從加熱爐生命周期來說，包括內(nèi)部運行動態(tài)和周邊運行動態(tài)。如果項目設(shè)計需要爐管承擔周邊管道的熱補償功能，加熱爐就不是自我封閉的運行。圖2的大集箱及介質(zhì)重量通過端管板作為支點產(chǎn)生杠桿效應(yīng)，影響到不同中間管板的承重量，溫度致爐管熱伸長將使盤管施加給首塊中間管板和末塊中間管板的橫向摩擦推力有明顯差異，原來某些只起定位作用的結(jié)構(gòu)增加了新的受力功能，需要細心布置各塊管板的裝配，而不僅僅是考慮標準中推薦的管板間距。靜態(tài)模型應(yīng)包括管線保溫層厚度，動態(tài)模型應(yīng)考察現(xiàn)場的工藝管線與框架距離是否足夠熱位移，而不會擠壓保溫層。

2 結(jié)構(gòu)細節(jié)優(yōu)化設(shè)計

（1）盤管承壓系統(tǒng)以集合管設(shè)計為例

常見設(shè)計是以流程面積和開孔強度校核為主，內(nèi)壓和溫度載荷作用下的設(shè)計方法包括單孔和排孔結(jié)構(gòu)。據(jù)2014年報道[6]，管道科學研究院完成的油氣管道用大開孔率三通設(shè)計方法通過了國內(nèi)專家的技術(shù)評審。表1是不同標準的開孔補強設(shè)計方法。

更細致地集合管及其凸緣所承受的力矩載荷和熱載荷也已成為設(shè)計考慮的基本載荷。

在結(jié)構(gòu)的工藝適應(yīng)性上，文[7]針對介質(zhì)進出集合管的流向不同而定義的Z型集合管與U型集合管兩種不同結(jié)構(gòu)，以介質(zhì)分配到爐膛內(nèi)的各個分支管路中的流量均衡性為對象，建立模型進行了案例分析，得出了U型走向更優(yōu)的結(jié)論。

（2）鋼構(gòu)支承系統(tǒng)以管板設(shè)計為例

圖4所示的等強度管板結(jié)構(gòu)特點反映在外形上，其加強筋是中間高兩端矮的形狀，有別于傳統(tǒng)的統(tǒng)一寬度結(jié)構(gòu)。其實，加強筋管板也可設(shè)計成加強筋高度頂端平齊，但是開有管孔的腹板中間厚兩側(cè)薄的形狀，有別于傳統(tǒng)的統(tǒng)一厚度結(jié)構(gòu)，見圖5。這兩種結(jié)構(gòu)主要是針對兩側(cè)簡支的管板在跨度中間的應(yīng)力水平較高的專門設(shè)計，特別是跨距較大的寬而矮的管板，可使整塊管板的應(yīng)力水平趨向均勻，各局部結(jié)構(gòu)金屬材料的強度得到充分利用。

表1 開孔補強設(shè)計方法Tab.1 Design method of reinforcement for opening

圖4 變筋高等強度管板Fig.4 Tube sheet of equal strength on variable rib hight

圖5 變腹厚等強度管板Fig.5 Tube sheet of equal strength on variable thickness of pectoral plate

等強度管板的另一種表現(xiàn)形式在其內(nèi)部的局部結(jié)構(gòu)。圖6的管板孔弧形加強筋、圖7的管板孔圓形加強筋和圖8的管板孔蜂窩形加強筋是同類加熱爐的不同設(shè)計，反映了結(jié)構(gòu)改善中細節(jié)分類的探求及其設(shè)計中對載荷處理技術(shù)的差異，側(cè)重點離不開質(zhì)量的提高。

文[8]則對大型加熱爐管板加強筋的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化分析。

圖6 弧形加強筋Fig.6 Stiffening rib of arc shape

圖7 圓形加強筋Fig.7 Stiffening rib of circularity shape

圖8 蜂窩形加強筋Fig.8 Alveolate stiffening rib

（3）結(jié)構(gòu)與熱效率

彎頭箱內(nèi)的熱氣氛對彎頭基本不存在對流加熱，反而存在彎頭向彎頭箱內(nèi)空間的放熱，因此，通過圖9的彎頭箱襯里不銹鋼箔保護，同時反射回彎頭放出的熱量，減少熱損失。當然，最佳的設(shè)計是處理好彎頭箱與端管板之間的密封問題，從而把彎頭箱擴展成對流換熱的爐膛部分，利用起彎頭的換熱面積。

圖9 彎頭箱襯里保護膜Fig.9 Lining safeguard of bend pipe box

有的大型加熱爐對流段爐單向流程的管較長，一般設(shè)計多件中間管板，穿過不同管板的同一條爐管在概念上被各管板分為幾段，這幾段爐管內(nèi)的流體由于吸熱漸變，有些成分容易相變而物性不同，各段與爐管外煙氣的交叉錯流熱交換略有區(qū)別，精確計算時不宜按工藝平均參數(shù)計算。因此，有設(shè)計要求在穿過中間管板的一小段翅片管上的翅片之間纏繞上陶纖，減少煙氣竄流以期接近計算模型，圖10所示，其效果不甚明了。由于該段翅片纏繞上陶纖之后不再組焊起滑板作用的管托，因此，堵塞的陶纖更主要起到了翅片之間的扶持作用。

圖10 翅片管過管板孔段Fig.10 Finned tube section of penetrating the tubesheet hole

3 安全防護設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)成本與安全

以管板為例，有些加熱爐對流段較寬，管板跨距較大且支承較重，加厚其腹板會明顯增加制造成本，圖11和圖12分別在管板底部設(shè)置與管板本體一體化鑄造成形的加強筋或加強底梁，圖13則讓沒有一體化加強底梁或加強筋的管板支承在其底部的另一條型鋼支梁上，也可取得滿意的效果。管板另一個安全要求是其高溫防腐性，某些燃料及其高溫煙氣成份下，需要鑄造管板含有鈷元素成份。

圖11 帶底筋管板Fig.11 Tubesheet with bottom rib

圖12 帶底梁管板Fig.12 Tubesheet with bottom beam

圖13 管板支承梁Fig.13 Support beam of tubesheet

（2）安全防護

以爐墻的制造過程順序為例，可有四道防護要求。一是墻板與墻板拼接焊接或墻板與立柱橫梁組焊成鋼構(gòu)后，其焊縫密封性的盛水滲透檢驗。箱式爐墻板宜外表面向上平置盛水檢驗，圓筒爐墻板則宜內(nèi)表面向上盛水檢驗。二是爐墻板背面焊接爪釘后的保護涂料，從環(huán)氧瀝青底漆升級到圖14的耐煙氣低溫露點腐蝕的防腐漆，涂敷的次數(shù)或干膜厚度都有要求。三是背襯板在澆注前鋪設(shè)隔水的塑料薄膜，以及爪釘穿過薄膜處的密封。四是澆注層迎火面涂敷抗?jié)B透有機涂料，涂敷的時機、次數(shù)及用料量。混凝土的滲透性是影響其使用壽命的主要因素，有機硅滲透劑能滲入混凝土層一定的深度，起著透氣但不透水的作用，適用于既防腐又耐磨的表面。

圖14 墻板防腐漆Fig.14 Anit-corrosive paint of wall plate

再以圓筒爐輻射段吊掛盤管為例。其下部自由端距離加熱爐底部對應(yīng)結(jié)構(gòu)的距離要足夠，以便于UT檢測判斷是否存在圖15的彎頭沖蝕[9]，如果該距離較小，爐管受熱應(yīng)力影響伸長量比較大，則自由端可能與爐底接觸，從而產(chǎn)生一個反向約束力，引起爐管彎曲[10]。

圖15 盤管彎頭沖蝕Fig.15 Erosion inside bend of coil pipe

最后以重整四合一爐出口集合管盲端法蘭蓋腐蝕及結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例[11]。在出口集合管盲板法蘭發(fā)生了氫氣-硫化氫化學腐蝕，其疏松多孔的腐蝕產(chǎn)生物在高流速流體沖刷下發(fā)生沖刷腐蝕，圖16所示，在盲蓋內(nèi)側(cè)加焊網(wǎng)籠的改進結(jié)構(gòu)能有效擾亂漩窩狀流態(tài)，并使實際發(fā)生腐蝕位置處的渦量值、最大流體速度值降低，從而避免了沖蝕。

圖16 集箱端蓋部位沖蝕Fig.16 Erosion on end cover of manifold

（3）事故工況設(shè)計

加熱爐事故工況常指部分或全部操作工況突然急劇變化甚至消失引起設(shè)備失效的情形，與預(yù)見的開停車工況不同，事故工況設(shè)計是防止出現(xiàn)事故工況、或者出現(xiàn)事故工況后設(shè)備不會受到損傷、或即便稍有損傷但還能繼續(xù)恢復(fù)安全運行的設(shè)計。2015年1月8日中國石化報第5版報道，外部電網(wǎng)停電導(dǎo)致某制氫轉(zhuǎn)化爐爐管發(fā)生變形，焊縫開裂，需要停車檢修并更換爐管。圖17中左側(cè)的回彎頭扭轉(zhuǎn)變形是爐管彎曲變形連帶引起的結(jié)果，不影響加熱爐的正常運行，不屬于事故工況設(shè)計。

圖17 回彎頭變形Fig.17 Deformation of return bends

（4）整體全壽命改善設(shè)計

加熱爐的盤管承壓系統(tǒng)、墻殼隔熱保溫層、鋼結(jié)構(gòu)支承系統(tǒng)，三者的結(jié)構(gòu)材料及載荷形式差異巨大，協(xié)調(diào)好各自的使用壽命是提高整爐使用壽命的關(guān)鍵。其中爐墻襯里的維護檢修較為困難，既影響熱效率也影響壽命，2014年9月30日中國石化報第6版報道，對乙烯裂解爐運行質(zhì)量影響最大的是襯里脫落。圖18是某加熱爐對流段爐頂板在安裝前的狀態(tài)，其帶折流筋的隔熱襯里材料采用陶纖塊而減輕了重量，提高了變形柔性，比采用澆注襯里顯得優(yōu)越。目前，窗式側(cè)墻已在工程化應(yīng)用，卸下墻窗即可對包括襯里等爐膛內(nèi)件進行維護，也便于對翅片管中煙塵的清理，其效果有待工程檢驗。

圖18 爐頂板帶折流筋的陶纖襯里Fig.18 Ceramic fber lining with baffe fow rib on the top plate of furance

4 熱效率及智能控制

加熱爐熱效率的提高從以下三方面，首先是合理的工藝流程和工藝參數(shù)作為基礎(chǔ)，再依靠爐墻的保溫隔熱技術(shù)和爐膛的高效換熱技術(shù)作為設(shè)備保障，最后需要平穩(wěn)的操作和自我協(xié)調(diào)的動態(tài)操作進行優(yōu)化。

（1） 爐管穿過端管板的密封

在對流段，爐管兩端承受了來自爐管全長的熱膨脹位移，位移最大，爐管兩端穿過端管板段的管孔間隙是周向不均勻的，其密封結(jié)構(gòu)要適應(yīng)爐管伸縮的滑動和摩擦，隔熱材料填料函設(shè)計成圖19和圖20的獨特結(jié)構(gòu)，強度及密封性優(yōu)于圖8的結(jié)構(gòu)，這樣使得煙氣無法從管孔竄到端管板外的彎頭箱內(nèi)。

圖19 釘頭管端段結(jié)構(gòu)Fig.19 End section structure of stud tube

圖20 翅片管端段結(jié)構(gòu)Fig.20 End section structure of fnned tube

（2） 爐管穿過蓋板的密封

圖21、圖22和圖23分別是爐管穿過端墻或彎頭箱蓋板的密封結(jié)構(gòu)，前兩者通過螺栓將兩半環(huán)板組成整圓，便于拆卸，圖21還在墻外給爐管設(shè)置了小支座，圖23則在蓋板開孔周邊設(shè)置了加強環(huán)。圖24是小集箱管穿過彎頭箱蓋板的密封結(jié)構(gòu)，集箱管預(yù)先穿上圓形環(huán)蓋后再與外面的管線組焊，環(huán)蓋可移離密封口，但是無法拆下。

（3） 煙氣折流

圖21 爐管穿過端墻板Fig.21 Tube penetrating the end wall

圖22 爐管穿過彎頭箱蓋板Fig.22 Tube penetrating the cover plate of bends box

在爐膛內(nèi)，錯排的爐管在靠近爐墻的兩側(cè)留下半邊管位，可通過圖25管板上的支桿裝上假管，使煙氣流態(tài)連續(xù)。其他需要設(shè)置假管的部位見文[12]。

圖23 集箱蓋板上爐管孔的加強環(huán)Fig.23 Stiffening ring of tube hole on cover plate plate of headers

圖24 小爐管穿過集箱蓋板Fig.24 Small tube penetrating the cover plate of headers

圖25 管板上的假管支桿Fig.25 Support rod for false tube on tubesheet

（4） 管板的隔熱

在管板與其支承之間設(shè)置圖26的隔熱墊無疑是阻隔爐內(nèi)往爐墻鋼構(gòu)傳熱的好辦法。

（5）智能優(yōu)化控制

長期以來，石化加熱爐特別是乙烯裂解爐的輻射段在工藝優(yōu)化和熱效率中具有主導(dǎo)地位，成為技術(shù)創(chuàng)新改造的對象，整爐熱效率的提高可轉(zhuǎn)向平穩(wěn)操作和動態(tài)操作的優(yōu)化。加熱爐運行波動較大的主要原因是：進爐物料組份變化較大；氣體燃料管網(wǎng)壓力變化；燃料組成和發(fā)熱量變化；處理量調(diào)整比較頻繁；沒有專業(yè)司爐操作崗位。

圖26 支承與管板之間的隔熱墊Fig.26 Insulating plate between support and tubesheet

加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的具體控制對象：裝置內(nèi)各臺加熱爐的熱風進風蝶閥和煙道擋板；空氣預(yù)熱器的鼓風機和引風機（控制閥門或控制轉(zhuǎn)速）；空氣預(yù)熱器旁通閥。

加熱爐優(yōu)化控制的技術(shù)手段：控制加熱爐供風和引風，以降低過?？諝庀禂?shù)，燃料消耗最低為目標；多種優(yōu)化控制算法和尋優(yōu)；復(fù)雜控制對象的技術(shù)對策；加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)采用多參數(shù)、多變量、多回路的協(xié)調(diào)、配合和互補的調(diào)節(jié)控制過程，對比效果較好。

目前，加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，完全可以在裝置不停車的正常生產(chǎn)條件下進行，體現(xiàn)出智能控制接口的模塊化特性。

5 結(jié)束語

模塊結(jié)構(gòu)精度是模塊化的基礎(chǔ)，加熱爐模塊化設(shè)計質(zhì)量的主要目標雖然在于模塊順利吊裝，其實包含分模連接面的密封強度和連接節(jié)點強度的要求，模塊化設(shè)計質(zhì)量的提高需要新的技術(shù)手段來實現(xiàn)，設(shè)計質(zhì)量還表現(xiàn)在管理上，完善的設(shè)計文件應(yīng)深化設(shè)計質(zhì)量技術(shù)要求，包含對關(guān)鍵零部件基本制造規(guī)范、質(zhì)量檢驗或工程管理的專業(yè)內(nèi)容，以反映某些分散在計算書中的數(shù)據(jù)要求或無法通過圖示表達的其他要求。

同時，模塊化設(shè)計更需要明確的工程問題進行技術(shù)引導(dǎo)，結(jié)構(gòu)大型化是模塊化的前提，未來的發(fā)展應(yīng)該以單位結(jié)構(gòu)容積的產(chǎn)能規(guī)模最大化為方向。其中，輻射段爐腔尺寸及其溫度分布與燃料及其燃燒器有關(guān)，高效環(huán)保的智能燃燒器可以作為創(chuàng)新對象，對流段的爐管數(shù)量及其單管長度局限了結(jié)構(gòu)繼續(xù)大型化，高效爐管也可以作為創(chuàng)新對象。

國內(nèi)外著名的加熱爐供應(yīng)商都具有自己獨具特色的一套質(zhì)量保證技術(shù)及管理體系，以此樹立品牌標志。相對于一般的供應(yīng)商或僅提供設(shè)計技術(shù)而不提供產(chǎn)品的供應(yīng)商而言，具有品牌標志的供應(yīng)商其質(zhì)量技術(shù)保證管理體系既取得工程承包商的認可，也取得了業(yè)主和用戶的認可。

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Optimum Design of Local Structure in Large Heating Furnace

Chen Sunyi

（The Challenge Petrochemical Machinery Corporation of Maoming, Maoming 525024）

In order to promote technical development for integral modular construction of large-scale heating furnace used in oil refining chemical industry, four aspects from technical view for improving the modularize design quality of local structure were summed up. First is 3D solid simulation, including both of static modular and dynamic modular; second is structure detail optimization, including the design of equal strength tube sheet in support system, and the design of flow direction of manifold affecting heat effciency; third is safe-guard, including the cost of safety structure, safe anticorrosion, design for accidence situation,and design for integral life cycle; fourth is heat effciency and intelligent controls, including sealing of tube penetrating the wall, the baffe fow of fue gas, the optimized control of operation. Finally, the maximization of capacity and scale for unit structure volume was suggested, which is the developing direction of the large-scale modules.

heating furnace; modularize structure; optimum design; quality assurance; structural improvement

TQ 054

A

2095-817X（2017）03-0032-008

2016-12-07

陳孫藝（1965—），男，教授級高級工程師，從事承壓設(shè)備及管件的設(shè)計開發(fā)、制造工藝、失效分析及技術(shù)管理。