专利名称：一种新型急冷废热锅炉下管箱及其内衬刚玉的设计方法
一种新型急冷废热锅炉下管箱及其内衬刚玉的设计方法
技术领域：
本发明涉及石油化工行业设备技术领域，具体地说，是一种新型急冷废热锅炉下管箱及其内衬刚玉的设计方法。
背景技术：
乙烯装置规模不断扩大，单台乙烯裂解炉已达到了 lOOkt/a以上的生产能力。急冷废热锅炉是乙烯装置的关键设备之一，它的长周期安全稳定运行成为制约乙烯生产的关键。进入急冷废热锅炉的往往是高温介质，高温裂解气进入急冷废热锅炉，对接管、管箱、气体分配器、管板、壳体等受热部件必然带来严重的热冲击、热疲劳和高温气体腐蚀，同时散热损失也大大的增加。为避免这类高温气体对设备安全运行带来的影响，通常在高温部位采用衬涂耐热隔热材料进行防护。但壳体与衬里是两种不同材料，其热膨胀性能存在差异， 这通常会导致内衬与壳体之间变形不协调，严重的会使得内衬出现开裂。“浴缸式”四进口急冷废热锅炉与传统的单一入口急冷废热锅炉相比，气体分布均勻，延长了运行周期，绝热段停留时间从传统单一入口的急冷废热锅炉的50ms降低到 10ms。但是“浴缸式”急冷废热锅炉自投用以来下封头法兰面经常出现泄漏，造成着火或被迫停车处理，其主要原因是下管箱的内衬刚玉出现开裂，导致下管箱温度偏高。同时，因其结构为椭圆形，修复更换内衬刚玉很困难。“浴缸式”急冷废热锅炉是由ABB LUMMUS公司与ABB ALST0M-SHG公司联合开发用于SL- II型裂解炉上的专利设备，国内研究单位很少对其进行研究过，内衬刚玉开裂已影响到裂解炉的正常运行，且因其会引起泄漏，故存在严重的安全隐患。可以采用有限元数值分析方法，建立下管箱及其内衬的三维有限元模型，对其变形协调及热应力进行分析，同时对下管箱及其内衬的结构进行了一些优化，降低下管箱壳体与其内衬之间的热变形差异，降低刚玉的热应力。
发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型急冷废热锅炉下管箱及其内衬刚玉的设计方法，适合于乙烯裂解装置所使用的“浴缸式”四进口急冷废热锅炉。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种新型急冷废热锅炉下管箱及其内衬刚玉的设计方法，其具体步骤为(1)分别对“浴缸式”急冷废热锅炉运行初期与后期下管箱及其法兰的表面温度进行了测量；(2)根据急冷废热锅炉下管箱的具体尺寸，管箱包含管板、壳体、内衬、法兰，采用 ANSYS软件建立“浴缸式”急冷废热锅炉下管箱的有限元模型；ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换；
(3)采用ANSYS模拟“浴缸式”急冷废热锅炉下管箱的温度场，将模拟得到的下管箱温度场与其实际测量值相比较，然后修正模拟参数，模拟出与实际情况一致的下管箱温度场；所 述的将模拟得到的下管箱温度场与其实际测量值相比较，其包含如下步骤(a)比较“浴缸式”急冷废热锅炉运行初期与后期下管箱表面温度场，选取出急冷废热锅炉运行不同时期下管箱表面温度的较高测量值；(b)选取空气、裂解气对流传热系数的经验值，应用ANSYS模拟出的“浴缸式”急冷废热锅炉下管箱的温度场；(C)将ANSYS模拟出的“浴缸式”急冷废热锅炉下管箱的温度场与其实际测量出的急冷废热锅炉运行不同时期下管箱表面温度的较高测量值进行比较，然后修正对流传热系数，模拟出与实际下管箱表面温度较高测量值一致的下管箱温度场；(4)将求得的下管箱温度作为体载荷施加在有限元模型上，并施加下管箱热变形的边界条件，进行下管箱热变形分析；(5)对下管箱内衬刚玉的结构形式、内衬刚玉的支撑形式及下管箱壳体的结构形式进行优化，模拟各优化方案对急冷废热锅炉下管箱与其内衬刚玉热变形协调性和内衬刚玉热应力的改善情况；所述的对下管箱内衬刚玉的结构形式、内衬刚玉的支撑形式及下管箱壳体的结构形式进行优化，其包含如下步骤(a)对急冷废热锅炉下管箱内衬刚玉本身的结构形式进行优化；(b)对急冷废热锅炉下管箱内衬刚玉本身的支撑形式进行优化；(c)对急冷废热锅炉下管箱壳体的结构进行优化。一种新型急冷废热锅炉下管箱，其特征在于，增设加强圈来降低下管箱热变形的方法，加强圈厚度同于壳体3厚度，宽度等于法兰6宽度，壳体厚度为10 15mm，图2是下管箱的有限元模型。一种新型急冷废热锅炉衬刚玉，其特征在于，采用分块形式的内衬刚玉7代替目前使用的整体形式的内衬刚玉；在制作内衬刚玉7前先在托板2侧面涂上一层石蜡1，石蜡的厚度为2 3mm，这样在废热锅炉升温时石蜡会被融化掉，可以为托板与内衬预留出一定的热变形间隙，从而降低了刚玉的应力，如图3所示；而常规的内衬刚玉的重量主要是由焊接在壳体上的支撑板承受(支撑钩主要作用是使内衬紧贴壳体并防止刚玉开裂脱落)， 支撑板的壳体上共有八块支撑板；由表1可知800°C时，某石化公司使用的绝热内衬刚玉耐压强度为75. OMPa，抗折强度则仅有10. OMPa,由目前下管箱内衬刚玉制作过程并结合现场工作人员的经验来看，其没有在托板侧面预留一定的间隙，这样由于壳体及内衬之间在X 方向上存在较大的热变形差异(设有加强圈时也有2mm)，在托板侧面附近的刚玉的应力较大，会导致刚玉开裂。表1刚玉高温性能
权利要求
1.一种新型急冷废热锅炉下管箱及其内衬刚玉的设计方法，其特征在于，具体步骤为(1)分别对“浴缸式”急冷废热锅炉运行初期与后期下管箱及其法兰的表面温度进行了测量；(2)根据急冷废热锅炉下管箱的具体尺寸，管箱包含管板、壳体、内衬、法兰，采用 ANSYS软件建立“浴缸式”急冷废热锅炉下管箱的有限元模型；(3)采用ANSYS模拟“浴缸式”急冷废热锅炉下管箱的温度场，将模拟得到的下管箱温度场与其实际测量值相比较，然后修正模拟参数，模拟出与实际情况一致的下管箱温度场；(4)将求得的下管箱温度作为体载荷施加在有限元模型上，并施加下管箱热变形的边界条件，进行下管箱热变形分析；(5)对下管箱内衬刚玉的结构形式、内衬刚玉的支撑形式及下管箱壳体的结构形式进行优化，模拟各优化方案对急冷废热锅炉下管箱与其内衬刚玉热变形协调性和内衬刚玉热应力的改善情况。
2.如权利要求1所述的一种新型急冷废热锅炉下管箱及其内衬刚玉的设计方法，其特征在于，所述的将模拟得到的下管箱温度场与其实际测量值相比较，其包含如下步骤(a)比较“浴缸式”急冷废热锅炉运行初期与后期下管箱表面温度场，选取出急冷废热锅炉运行不同时期下管箱表面温度的较高测量值；(b)选取空气、裂解气对流传热系数的经验值，应用ANSYS模拟出的“浴缸式”急冷废热锅炉下管箱的温度场；(c)将ANSYS模拟出的“浴缸式”急冷废热锅炉下管箱的温度场与其实际测量出的急冷废热锅炉运行不同时期下管箱表面温度的较高测量值进行比较，然后修正对流传热系数， 模拟出与实际下管箱表面温度较高测量值一致的下管箱温度场。
3.如权利要求1所述的一种新型急冷废热锅炉下管箱及其内衬刚玉的设计方法，其特征在于，所述的对下管箱内衬刚玉的结构形式、内衬刚玉的支撑形式及下管箱壳体的结构形式进行优化，其包含如下步骤(a)对急冷废热锅炉下管箱内衬刚玉本身的结构形式进行优化；(b)对急冷废热锅炉下管箱内衬刚玉本身的支撑形式进行优化；(c)对急冷废热锅炉下管箱壳体的结构进行优化。
4.一种新型急冷废热锅炉下管箱，其特征在于，所述的下管箱设加强圈。
5.如权利要求4所述的一种新型急冷废热锅炉下管箱，其特征在于，所述的加强圈厚度同于壳体厚度，宽度等于法兰宽度。
6.如权利要求5所述的一种新型急冷废热锅炉下管箱，其特征在于，所述的壳体厚度为 10 15mm0
7.一种新型急冷废热锅炉衬刚玉，其特征在于，采用分块形式的内衬刚玉。
8.如权利要求7所述的一种新型急冷废热锅炉衬刚玉，其特征在于，在制作内衬刚玉前先在托板侧面涂上一层石蜡。
9.如权利要求8所述的一种新型急冷废热锅炉衬刚玉，其特征在于，所述的石蜡的厚度为2 3mmο
全文摘要
本发明涉及一种新型急冷废热锅炉下管箱及其内衬刚玉的设计方法，主要解决急冷废热锅炉下管箱内衬刚玉经常出现开裂及下管箱法兰高温密封性能差的问题，其特征在于利用Ansys有限元软件，对急冷废热锅炉下管箱壳体结构、内衬刚玉结构及内衬刚玉支撑结构形式进行了优化改进，改进结果表明下管箱壳体与其内衬刚玉之间的热变形差异降低了46％以上，降低下管箱内衬刚玉的热应力。本发明可以有效地改善急冷废热锅炉下管箱与其内衬刚玉的热变形协调性能，同时改善了急冷废热锅炉下管箱与下封头连接法兰的高温密封性能。
文档编号G06F17/50GK102260520SQ20101018908
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者史永红, 徐宏, 王元华, 王志远, 陈明亚 申请人:华东理工大学