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悬浮床反应器内部热电偶断裂的原因分析及改进方案

来源:www.chems4you.com作者:发表时间:2016-10-22

摘 要:针对某悬浮床加氢反应器内部柔性热电偶的断裂形态、工作环境以及安装固定情况,文章从热膨胀理论和有限元模拟两个方面,分析了热电偶断裂原因。研究表明,反应器内部结焦影响了热电偶的自由伸缩,使热电偶局部产生附加拉力和塑性变形。随着开停工次数的增加,热电偶局部塑性变形反复积累,最终发生断裂。根据断裂原因,制定并实施了保护热电偶的详细改进方案,其经济性和可行性在反应器实际运行中得到了验证。

        煤—油共炼技术是一种新型的煤制油技术,该技术是将渣油与煤粉按一定比例混合后,在催化剂作用下发生的加氢反应。由于渣油与煤粉在加氢过程中有一定的协同作用,所以反应的轻油收率较高,而固体残渣的生成率很低。该装置的核心设备之一是悬浮床反应器(以下简称“反应器”),在反应器内,油煤浆发生加氢反应。反应器的温度测量依靠伸入其中的三支4点式热电偶来完成。加氢反应的温度测量是保证反应正常进行和装置安全的重要前提,如果反应出现飞温而得不到及时控制,就会危及装置的安全。

        某煤—油共炼装置运行一段时间后,反应器内部三支4点式柔性热电偶最下面的测点均失效,车间DOS操作站上无温度显示,待装置全面停工检查时,发现该反应器下部一定高度上结焦严重,除去焦炭后发现,在靠近失效测点的热电偶U型管卡处,热电偶发生断裂(见图1)。

 热电偶断裂位置

1 反应器与热电偶简介

        该反应器操作条件苛刻,高温、高压、临氢,介质含有煤粉。操作温度480 ℃,操作压力21.3MPa,设备切线总长为18 750mm。反应器为冷壁结构,内壁加不锈钢隔热衬筒,衬筒在长度上分若干段,每段之间留热膨胀缝,壳体材料为CrMo钢,壳体设计温度为300℃。反应器进料口设在下封头底部,出料口在上封头顶部。

        该反应器内部的三支热电偶为铠装柔性4点式热电偶,其中外铠管规格为10 mm×1.8mm,材质为347SS,热电偶为单支多点结构,每点设独立铠套,每根内铠套与外铠套之间填充氧化镁。三支柔性热电偶沿反应器圆周均匀垂直铺设,分别从反应器顶部封头上的3个热电偶口中穿入。每根热电偶长度约18 000mm,在不同高度上设4个温度测点,其中最下面的测点距下封头切线1 585mm。热电偶管的最初安装方案由热电偶供应商提供,采用若干个U型管卡与焊在反应器内衬筒上的支撑板进行安装固定(见图2)。

 改造前热电偶管安装方式

2 热电偶断裂现象描述及原因分析

        发现热电偶断裂后,业主、热电偶供应商及总承包商共同到现场查看分析原因,考虑到热电偶管的断裂部位在下部,反应器操作介质内含有煤粉,物料从下部进入,热电偶供应商认为是物料冲刷下部热电偶管造成其磨损断裂,热电偶供应商在基于磨损断裂的基础上给出了整改方案,在热电偶外面直接加保护套管,保护套管外加导向管卡。总承包商的设计人员根据热电偶断裂的实际形态,对热电偶断裂原因表示怀疑,并重新进行了深入分析。结合现场实际情况及热电偶断裂的相关照片,热电偶管断裂后可以有如下特征描述:

       1)热电偶断裂处有明显的变长、断口平齐(见图1);

       2)热电偶发生弯曲变形,外径变小,壁厚变薄,局部纵向有裂纹(见图3和图4);

       3)卡处有明显的结焦(见图5)。

       4)最上端热电偶弯曲处发生明显变形,活弯变成死弯(见图6)。

 热电偶管断裂后

       从图3~图4及描述中可以看出:热电偶管断裂处的横截面发生变化,外径变小、壁厚减薄,而远离断裂的位置上,热电偶外壁上还有结焦。这个现象首先说明热电偶不是被介质冲刷破坏的。如果是介质冲刷,就不应该有结焦存在,焦炭可以起到防止冲刷的作用,并且冲刷应该是在套管很大的范围内发生,而不是仅仅在局部。根据工艺数据可知,物料进入反应器的速度仅为0.06m/s,这是个非常缓慢的流速,不应该对器壁产生磨损。

        从图5、图6可以看出,热电偶管断裂处的横截面外径变小、壁厚减薄,这是比较明显的拉伸破坏现象。在理想的状态下,热电偶不应该受到拉力作用,因为固定热电偶的管卡都是导向管卡,热电偶与外壁之间由于温度和材料膨胀系数不同导致的膨胀差可以通过热电偶和管卡之间的滑动而得到缓解。如果管卡安装太紧,不能产生自由滑动,这时热电偶应该受到压缩力,而没有拉力产生。

        设计人员在仔细分析了热电偶上的焦炭分布后发现,断裂处焦炭较少或没有焦炭,而热电偶又是装置开停工几次后发生的断裂,从这些现象可以推断,是由于结焦影响了热电偶在管卡中的自由滑动,从而产生拉力,把热电偶拉断。

        热电偶管和内衬筒材料为不锈钢,操作温度为480℃,反应器壳体材料为CrMo钢,因设置隔热衬里,壳体温度为300℃,因两种材料的热膨胀系数不同,不锈钢大于CrMo钢,当反应器工作时,热电偶管和外壳体之间的热膨胀量相差甚大,按热电偶管长度18 000mm计算,膨胀差达到90mm,即热电偶管比壳体多伸长90mm。当反应器开停工时,如果热电偶无约束,便会自由膨胀和收缩,不产生任何附加应力,也不会产生任何的变形。但是如果热电偶上有结焦,那么热电偶回复原位时就不能通过管卡自由滑动,这时如果焦炭附着不太牢固,管卡就把焦炭刮掉而回复原位,如果焦炭附着足够结实,那么管卡处的热电偶管就被拉伸,随着开停工次数的增加,这样的拉伸反复积累,最终导致断裂。

        断裂处的纵向裂纹是由于在焦炭被管卡刮掉时,焦炭作用在热电偶管上的剪切力所致。剪切力使薄壁管发生剪切破坏。

 

3 有限元模拟验证

        为进一步分析热电偶的受力,本文采用有限元法计算热电偶的变形,把壳体温度设定为300℃,内衬筒和热电偶温度设定为480℃,反应器壳体材料为CrMo钢,热电偶管和内衬筒材料为不锈钢,为计算方便,把热电偶与衬筒的连接设为固定连接。计算结果显示,热电偶管受到了压缩,管子上最大压缩应力达到了800MPa,侧向位移达到了40mm(见图7和图8)。

 热电偶上的变形及弹性应力热电偶上的局部应力分布

         通过以上分析可以推断,如果管卡不能自由滑动,热电偶将受到极大的弹性压缩力,同理,如果管卡开工时发生了自由滑动,而停工时由于焦炭的阻力而不能回复原位,热电偶必将受到和计算得到的一样大小的名义拉伸应力,这么大的名义拉伸力,足以使热电偶管发生断裂破坏。

 

5 热电偶安装固定的改进方案

        热电偶供应商提供的改造方案是基于磨损导致破坏提出的,其要点是在热电偶外加装38mm×7mm 的不锈钢保护套管,考虑到现场安装,分若干段施工,中间用螺纹接头连接,套管仍用U型卡紧固,下端敞口。该方案存在以下弊端:热电偶最初能在套管内自由伸缩,但当反应器工作后,套管内会结焦增多,不仅会影响传热,引起温度测量滞后,而且停工时再次阻尼热电偶的滑行。另外保护套管的刚性较强,再加上与反应器内衬筒膨胀、收缩的不同步,不但会牵制内衬筒的自由伸缩,而且可能对U 型管卡造成破坏,因此该方案不可取,需重新制定热电偶保护方案。

 

        针对热电偶断裂的原因,会同各相关专业技术人员的讨论,最终确定按以下方案进行热电偶的改造(见图9)。

 最终改造方案

        1)仍采用加装不锈钢保护套管,套管规格改为25mm×2.5mm;

        2)保护套管分段,相邻段连接采用滑套结构,确保套管滑移自如,滑动处塞陶瓷纤维绳以防焦炭进入保护管内,同时保证连接处避开热电偶的所有测点位置,不影响温度的准确测量。

        3)每段保护套管中间只设置1个管卡,热电偶安装就位后套管与管卡和支撑板焊牢,支撑位置位于每段反应器内衬筒的中部,确保套管和内衬筒的伸缩互不影响;

        4)套管最下端用盲板封堵,盲板上端加装防护盖板,热电偶下端和盲板留有一定的膨胀距离,防止反应物料进入套管造成结焦。

 

6 结语

        热电偶管在介质流速为0.06m/s的条件下,发生磨损的可能性很小。从断裂的形态来分析,由于结焦影响了热电偶的自由伸缩而产生拉力,把热电偶拉断。如果按供货商的方案,采用强度很大的套管,很可能把内套筒拉坏,产生严重事故。采用总承包商的方案改造实施后,热电偶工作平稳,各个温度测点显示正常,热电偶改造方案得到业主的认可。

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