裂解炉切换大阀开关不畅的原因分析

    1 前言
    某石化企业裂解炉切换大阀在使用半年后出现较为严重的开关不畅现象，即使增大扭矩仍然无法开关，在使用人工开关的过程中甚至发生过电动头压盖断裂的现象，随后又有两台类似的阀门也相继出现了同样的问题。根据现场人员介绍，切换大阀在管系处于冷态时的开关较为顺利。但是在管线正常运行处于热态的时候，大阀的开关仍然较为困难，开（或关）一次的时间最长超过24h，而大阀正常开（或关）一次需要的时间仅为约3min。虽然采取了一些措施，但收效甚微，大阀开关仍然困难，是整个装置安全运行的隐患。
    本文针对阀门开关困难的这一异常现象，对裂解炉切换大阀及相关管线进行应力分析，结合有限元计算结果，提出一些建设性的改进措施。
    2 管线和阀门参数
    与阀门相关管线的基本参数见表1。裂解炉切换大阀的参数见表2。

表2 阀门计算参数

    3 有限元模型建立及计算结果
    分析阀门处于开启状态时，阀门及其相关管线的受力情况。将通过管系应力计算提取的管口载荷加载到阀门上，对阀门进行分析，从而得到在热态管系应力作用下，裂解炉切换阀门的变形及应力分布情况。
    3.1 管线模型的建立及计算结果
    本文采用大型通用有限元软件ABAQUS6.8对管线进行前后处理与分析计算。管线模型采用PIPE32单元，共有6276个单元，18836个节点。模型如图1所示。该管线约束分为可变弹簧、恒力弹簧、固定支架和导向架4种类型。

图1 管线的有限元模型

    由于大阀上共有48d和10d两个阀门通过螺栓刚性连接。因此在计算管线时，需要通过合理方式模拟此刚性连接。
    应力计算结果显示在裂解炉切换大阀上的10”小阀进口端管线的应力较大，最大值达到了100MPa以上，而小阀出口端管线的应力比较小。管口载荷方各如图2所示，从管系应力分析中提取出来的与阀门相连的管口载荷如表3所示。

图2 阀门管口载荷方向

    3.2 阀门模型的建立及计算结果
    裂解炉切换大阀连接如图3所示。

图3 裂解炉切换大阀示意

图4 阀门的有限元模型

    采用大型有限元软件ANSYS对阀门进行前后处理与分析计算，将上述管系应力分析中得到的阀门管口载荷加载到阀门上。图4为阀门的有限元模型，图5为阀门模型的网格划分。

图5 阀门的网格划分

    阀门的应力计算结果见图6，从图中我们可以看出阀门最大应力为253MPa，位于大小阀相连处的肋板上。阀门变形的计算结果见图7，从图中可以看出，大阀的变形量很小，在管系力和弯矩的作用下，小阀门相对于大阀门有一个扭转。通过有限元分析可以计算出小阀门相对于大阀门的最大位移量达到了3~4mm。

图6 阀门的当量应力分布图

图7 阀门的变形量分布情况（变形放大50倍）

    3 分析与结论
    通过有限元计算，发现与裂解气切换阀上的小阀进口端管线应力很大，虽然其应力水平在管线相关标准允许的范围内，不至于使得管线产生破坏。然而高的管线应力却造成了与之相连阀门的轻微变形，这种轻微的变形成为了导致阀门开关不畅原因之一。
    因此改进中建议增加小管线的柔度，以便有效地减小进口端小管线在热态下的应力水平。
    4 建议
    裂解气大阀开关不畅是乙烯装置长周期运行的安全隐患，中国石化不少乙烯装置都采用了Z&J公司生产的平行双闸板阀，从使用情况来看，不少乙烯装置（如茂名、齐鲁、扬子、燕山）都存在大阀开关不畅的情况。据了解，国外乙烯装置裂解气大阀也存在开关困难问题的类似问题。裂解气大阀的使用情况与安装和维护是密切相关的，对于Z&J阀，本身体型庞大（一个裂解气大阀的重量达几吨，甚至十吨以上），结构也不尽相同，加之与其相连的裂解气管道直径多在1m以上，且操作温度较高，因此裂解气大阀的安装要求无应力，且要考虑到裂解气大阀及与其相关管线的热应力情况。目前这一现象仍未得到有效解决，有必要就该问题进行进一步的调查和研究，找出根本原因，降低乙烯装置长周期运行的风险。
    参考文献
    [1] ABAQUSAnalysisUser'SManual[R].HKSINC2005.
    [2]何志，倪向贵，徐洲.高温高压工艺管道应力分析计算[J].压力容器，2004，21（6）：18-22.
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    [4]张红才.中压蒸汽管线异常变形的有限元分析及对策[J].压力容器，2004，21（10）：23-25.
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