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        T-201填料塔故障分析及處理

        2020-08-08 02:58:58楊昆山
        石油和化工設(shè)備 2020年7期
        關(guān)鍵詞:外壓慣性矩塔體

        楊昆山

        (浙江工程設(shè)計有限公司, 浙江 杭州 310000)

        1 裝置概述

        某脂肪酸甲酯項目中,T-201塔頂有2處開孔,經(jīng)管道與2個冷凝器連接,如圖1所示??紤]運行狀況,塔身和塔頂冷凝器之間垂直方向的位移差84mm,在塔身到冷凝器之間的水平管道上設(shè)置了大拉桿橫向補償器,補償能力為111mm。

        2019年3月31日,項目業(yè)主投料試車,抽真空過程中,發(fā)現(xiàn)T-201填料塔頂膨脹節(jié)內(nèi)側(cè)螺母鎖死。項目業(yè)主指揮工人將塔體連接處的膨脹節(jié)拉桿螺母松開,避免膨脹節(jié)不起作用,松開螺母瞬間出現(xiàn)異響,裝置震動,地面中控室震感明顯,東面冷凝器膨脹節(jié)拉桿變形。4月1日經(jīng)測量塔體向南面傾斜,拆掉保溫后,觀察在高度約20.5m及29m處塔體有變形,變形量約15mm。4月2日觀察,塔體在不斷回正階段。

        2 T-201填料塔主要技術(shù)參數(shù)

        塔設(shè)備內(nèi)徑4800mm,厚度16mm,總高38.46m(含裙座7m)。塔體材質(zhì)為S31603,塔體外側(cè)設(shè)置加強圈,加強圈規(guī)格為T120×16。設(shè)備外形結(jié)構(gòu)見圖2,主要設(shè)計參數(shù)見表1。

        圖1 塔系統(tǒng)布置圖

        3 設(shè)備故障原因分析

        3.1 設(shè)備設(shè)計剛度偏弱,外壓加強圈不能滿足要求

        圖2 填料塔外形圖

        表1 基本設(shè)計參數(shù)

        通過查看原計算書發(fā)現(xiàn),設(shè)計過程中外壓計算時塔釜處的2000mm液柱靜壓力未取消造成外壓計算壓力值為-0.08MPa,重新按-0.1MPa校核,外壓加強圈剛性校核不合格;當外壓長度L=4000mm時,許用外壓P1為0.12033MPa。根據(jù)現(xiàn)場情況,最大外壓長度L=2500mm,增加加強圈,得到許用外壓P2為0.16416MPa。外壓筒體及加強圈核算過程如下[1]。

        3 . 1 . 1 當 外 壓 長 度L = 4 0 0 0 m m 時, 有效 厚 度S 1 = 1 6 - 0 . 3 = 1 5 . 7 m m ; 筒 體外 徑D o = 4 8 0 0 + 2 × 1 6 = 4 8 3 2 m m ; L /Do=4000/4832=0.83,Do/S1=4832/15.7=307.77;

        查表得到A=0.0002993,B=37.03;

        許用外壓計算: P 1 = B / ( D o /S1)=37.03×15.7/4832=0.12033MPa。

        加強圈計算:加強圈規(guī)格:T120×16;加強圈面積:As=3840;

        有效慣性矩:Is=28922500.00;

        有效慣性矩Is小于所需慣性矩,不合格。3 . 1 . 2 當 外 壓 長 度L = 2 5 0 0 m m 時, 有效 厚 度S 1 = 1 6 - 0 . 3 = 1 5 . 7 m m , 筒 體外 徑D o = 4 8 0 0 + 2 × 1 6 = 4 8 3 2 m m ; L /Do=2500/4832=0.52,Do/S1=4832/15.7=307.77;

        查表得到A=0.0004895,B=50.52;

        許用外壓計算: P 2 = B / ( D o /S1)=50.52×15.7/4832=0.16416MPa。

        加強圈計算:加強圈規(guī)格:T120×16;加強圈面積:As=3840;

        有效慣性矩:Is=48003908;有效慣性矩Is大于所需慣性矩,L160×14可作為外壓加強圈使用。

        3.2 管道力的反作用

        投料過程中,膨脹節(jié)螺栓未松,塔體外壓變形過程中給膨脹節(jié)的力的同時,膨脹節(jié)也給塔體反作用力。根據(jù)管道專業(yè)CAESAR II軟件進行模擬,對負重、溫度、壓力幾種荷載進行分析,模擬工況包括持續(xù)荷載工況、運行荷載工況和熱膨脹荷載工況。計算得到塔頂管口S1a,S1b的管口載荷,詳見表2。

        表2 接管載荷

        將表2中的接管載荷,導(dǎo)入到SW軟件中,進行管口局部應(yīng)力計算。每個接管根據(jù)力和彎矩分別得到薄膜應(yīng)力SII,以及薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力SIII,根據(jù)規(guī)范給定相應(yīng)的合格標準SII≤1.5S,SIII≤3S[2]。計算結(jié)果詳見表3。

        4 外壓穩(wěn)定性分析

        針對在抽真空時,T-201填料塔發(fā)生局部失穩(wěn),在塔高20.5m和29m處,設(shè)備局部向內(nèi)凹陷,最大凹陷深度約為15mm。對塔體進行了外壓穩(wěn)定性分析,分析過程中采用的材料熱物理性能見表4。

        表3 接管局部應(yīng)力計算結(jié)果

        表4 材料平均線膨脹系數(shù)

        4.1分析模型

        4.1.1 原設(shè)計模型

        首先對原設(shè)計進行了屈曲特征值分析,分析時采用梁殼單元組合建模,其中筒體采用殼單元Shell181,加強圈采用梁單元Beam189。建立原設(shè)計模型的有限元模型,如圖3所示。分析時塔體外表面上施加單位壓力,裙座底面全約束。

        圖3 原設(shè)計模型的穩(wěn)定性分析有限元模型

        4.1.2 改進模型

        針對設(shè)備出現(xiàn)局部失穩(wěn)問題,擬通過增加補強圈的方式提高設(shè)備的穩(wěn)定性。根據(jù)商定的加強圈加固方案,對改進方案模型進行了屈曲特征值分析。改進方案建模時考慮設(shè)備的局部凹陷。同樣,分析時采用梁殼單元組合建模,其中筒體采用殼單元Shell181,加強圈采用梁單元Beam189。建立有限元模型,如圖4所示。分析時塔體外表面上施加單位壓力,裙座底面全約束。

        4.2 分析結(jié)果

        圖4 改進模型的穩(wěn)定性分析有限元模型

        原設(shè)計和改進方案模型的1階失穩(wěn)變形情況如圖5所示,從失穩(wěn)形狀看,失穩(wěn)主要發(fā)生于筒體接管位置,2個模型的臨界失穩(wěn)壓力如表5所示。從表中可以看出,改進模型的臨界失穩(wěn)壓力得到明顯提高。

        表5 臨界失穩(wěn)壓力

        圖5 原設(shè)計方案的外壓屈曲結(jié)果

        圖6 改進方案的外壓屈曲結(jié)果

        5 處理方案

        針對設(shè)備已經(jīng)發(fā)生的局部凹陷,對塔設(shè)備進行以下措施整改:

        (1)塔設(shè)備內(nèi)部填料,分布器開塔視變形情況清理。

        (2)建議復(fù)位的同時,塔頂S1ab出口彎頭部分增加臨時支撐,輔助恢復(fù)塔體垂直。

        (3)采用0.2MPa壓縮空氣打壓,使局部變形趨圓。

        (4)制作外徑為4800,S=20mm的弧板,采用千斤頂恢復(fù)外形;設(shè)備檢查垂直度應(yīng)小于等于30mm。

        (5)塔體變形恢復(fù)后,在塔外壁原有加強圈之間增設(shè)角鋼加強圈L160×160×14,改造后最大外壓長度為2.5m,設(shè)備許用外壓0.164MPa。并在13m樓面、19m樓面、24.5m樓面、32.5m樓面處設(shè)置限位裝置,阻止塔的橫向位移。改造后的結(jié)構(gòu)見圖7。

        圖7 增加加強圈改造后設(shè)備外形圖

        圖8 塔頂冷凝器鞍座改造后外形圖

        (6)在膨脹節(jié)兩端增設(shè)彈簧支架,用以減少設(shè)備及管口所受力。在復(fù)位期間,應(yīng)松開膨脹節(jié)兩段內(nèi)外側(cè)螺母并經(jīng)常觀察松開間隙。

        (7)修復(fù)完畢,S1ab焊縫處及彎管臨時支撐處,冷凝器進口彎頭焊縫處做100%PT檢測。塔設(shè)備頂部管口第一道焊縫做20%RT檢測。

        (8)塔頂冷凝器的鞍座底部增加圓鋼,減小冷凝器對管道的反作用力。改造后的冷凝器支座詳見圖8。

        6 結(jié)束語

        通過上述對T201填料塔的處理,該項目已在7月1日成功開車,并安全運行至今。通過該案例,我們在塔式外壓容器設(shè)計時,液柱靜壓力不能用來抵消外壓作用力,計算外壓時應(yīng)將液柱靜壓力取消,否則會影響計算結(jié)果的準確性。要根據(jù)管道專業(yè)提供的管口載荷,核算各管口的局部應(yīng)力。并將該載荷,添加到塔的整體計算中,驗證地腳螺栓的強度。

        ◆參考文獻

        [1] GB150.1~GB150.4-2011,壓力容器[S].

        [2] HG/T 20582-2011,鋼制化工容器強度計算規(guī)定[S].

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