MTO/FCC反應器高溫高壓設備隔熱襯里對金屬殼體溫度分布的影響

劉銘剛，靳彥欣，萬古軍，李 勇，高凱歌

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

工業(yè)上的高溫高壓設備，如MTO、FCC反應器的內(nèi)集氣室，其金屬殼體內(nèi)部覆蓋一層脆性的隔熱耐磨襯里，其與金屬殼體組成非線性的復合結(jié)構(gòu)。在設備運行過程中，隔熱耐磨襯里材料將出現(xiàn)范圍性的隔熱性能下降，稱為“襯里破壞”。襯里破壞將導致金屬殼體溫度上升，引發(fā)金屬殼體的高應力現(xiàn)象，造成設備損壞[1-3]。本文選取內(nèi)集氣室模型中一段帶襯里的直筒體作為研究對象，以襯里的破壞范圍作為控制變量，研究襯里破壞程度對襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布的影響。

1 計算工況

“襯里破壞范圍”用來衡量襯里開裂或破碎的體積或面積[4-7]，它包括2個指標參數(shù)——襯里的破壞高度和襯里的破壞厚度。

本文以內(nèi)集氣室內(nèi)壁直筒段的襯里-金屬結(jié)構(gòu)為研究對象，研究襯里破壞高度取96，288，480 mm，以及襯里破壞厚度取0(完好)，20%，40%，60%，80%，100%(隔熱功能喪失)時，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布變化規(guī)律。

2 襯里破壞范圍對襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布影響

2.1 襯里破壞厚度對襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布影響

圖1為設計溫度750 ℃，襯里破壞高度288 mm時，不同襯里破壞厚度下，內(nèi)集氣室內(nèi)壁襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布情況。

圖2為設計溫度750 ℃，襯里破壞高度分別為96，288，480 mm時，襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度影響規(guī)律隨襯里破壞厚度的變化規(guī)律。

圖1 不同襯里破壞厚度時襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布

從圖1和圖2可以看出，設計溫度為750 ℃、襯里破壞高度分別為96，288，480 mm時，隨著襯里破壞厚度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度逐漸升高。對每種襯里破壞高度，隨著襯里破壞厚度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度都存在上限。例如當襯里破壞高度為96 mm且破壞厚度達到100%時，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的最大溫度為546 ℃，此種工況對應實際工程中由于襯里施工的“施工縫”沒有處理好從而導致周圈襯里完全破壞的情況(襯里厚度小于100 mm)?？梢娨r里設備出現(xiàn)“施工縫”缺陷時，金屬殼體的溫度同樣存在上限，此結(jié)論驗證了國外手冊中針對“施工縫”缺陷規(guī)定的溫度上限為550 ℃的科學性和適用性[8-10]。對于襯里破壞厚度為288，480 mm的情況，上述規(guī)律同樣存在。

2.2 襯里破壞高度對襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布的影響

圖3為設計溫度750℃，襯里破壞厚度為60%時，內(nèi)集氣室內(nèi)壁襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布隨襯里破壞高度的變化情況。

設計溫度為750 ℃時，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布隨襯里破壞高度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖2 襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度隨襯里破壞厚度的變化規(guī)律

從圖4和圖5可以看出，設計溫度750 ℃，襯里破壞高度一定時，隨著襯里破壞厚度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的最大溫度迅速增大。且當襯里破壞厚度80%，襯里破壞高度分別為96，288，480 mm時，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的最大溫度分別為271，316，346 ℃。而在實際工程中，隔熱襯里破壞高度超過480 mm且破壞厚度達到80%以上的情況極難出現(xiàn)。所以在設計襯里設備金屬殼體強度時，選取350 ℃為極限溫度條件是有根據(jù)的和適用的，這也驗證了國外手冊中襯里破壞決策書中的溫度極限下限[11]。

3 結(jié)論

a) 設計溫度為750 ℃時，隨著襯里破壞厚度和破壞高度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度逐漸升高，且存在溫度上限。

b) 設計溫度為750 ℃時，襯里破壞高度小于100 mm的情況，對應襯里設備施工過程中的“施工縫”缺陷，此時隨著襯里破壞厚度的增加，襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度增高，最大溫度為546 ℃，驗證了國外手冊中針對“施工縫”缺陷規(guī)定的溫度上限為550 ℃的科學性和適用性。

圖3 不同襯里破壞高度時襯里-金屬結(jié)構(gòu)溫度分布

圖4 襯里-金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布隨襯里破壞高度的變化規(guī)律

c) 設計溫度為750 ℃時，對襯里破壞厚度小于60%的情況，金屬殼體溫度呈緩慢增加趨勢；當襯里破壞厚度超過80%時，金屬殼體溫度迅速上升，最高溫度為346℃，證明了在設計襯里設備金屬殼體強度時，國外手冊中襯里破壞決策書中選取350 ℃為極限溫度條件的科學性和適用性。