автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Повышение долговечности змеевиков трубчатых печей

На правах рукописи

РГб од

2 г сен ш

БАЯЗИТОВ МАРАТ ИХСАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗМЕЕВИКОВ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ

Специальность 05.04.09,- Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1998

Работа выполнена на кафедре "Машины и аппараты химических производств" Уфимского государственного нефтяного технического университета

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузеев И.Р. доктор технических наук. Ибрагимов И.Г. доктор технических наук Кузнецов В.Л.

кандидат технических наук, доцент Евтюхин H.A.

Ведущее предприятие: Башкирский научно-исследовательский институт нефтяного машиностроения (БашНИИнефтемаш)

Защита состоится 8 октября 1998 года в 15- на заседании диссертационного совета Д 063.09.04 в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу: 450062, Уфа, ул. Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ Автореферат разослан " сентября 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук И.Г.Ибрагимов

J

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Высокотемпературный нагрев углеводородного сырья для различных процессов нефтепереработки осуществляется, как правило, в трубчатых печах, включающих в себя продуктовый змеевик, горелонные устройства, тепловые ограждения в виде футеровки и систему вывода и утилизации дымовых газов. По назначению трубчатые печи могут быть как нагревательными, так и реакционными (крекинг, пиролиз). При этом надежность работы печи определяется сроком службы (долговечности) трубчатых змеевиков, испытывающих в процессе эксплуатации значительные нагрузки и деформации, обусловленные воздействием высоких температур с одной стороны, и состоянием потока внутри труб с другой стороны.

В процессе нагрева углеводородного сырья в трубчатых печах происходит его частичное или полное испарение в трубах ( в зависимости от температуры и давления в системе). В двухфазном потоке имеют место критические явления, характе-риз>тощиеся свойствами фаз. В исследованиях гидродинамики двухфазных потоков, проведенных рядами авторов отмечаются как общие, так и частные закономерности.

Режим течения двухфазного потока определяется объемным паросодержани-см и скоростью движения фаз. Переход режимов является нечетким даже в системах "вода-воздух". Предполагается, что аналогичные явления происходят и в системах, где в качестве нагреваемого и испаряемого продукта используется углеводородное сырье. Известно, что последнее не имеет определенной температуры кипения. и при заданных температурах и давлении закипает только часть его компонентов. В связи с этим изменение режимов течения происходит постепенно. С точки зрения интенсификации теплообмена наиболее оптимальным является дисперсно-кольцевой режим. Однако, его неустойчивость, вызванная собственно природой возникновения и конструкцией змеевика (горизонтальное положение, поворот на 180° через каждые 6-12 м), позволяет сделать предположение о развитии на этом участке змеевика неблагоприятных явлений, значительно ухудшающих показатели работы печи. Сюда можно отнести отложение кокса и, как следствие, перегрев стенки печных труб и их разрушение. Отложение кокса в печных трубах приводит к сокращению межремонтного пробега, а накопление повреждений в них значительно снижает ресурс.

Необходимость проведения исследований гидродинамики двухфазного потока и динамики коксообразовалвд в змеевиках тесно связана с определением долговечности и повышения ресурса трубчатых змеевиков.

В процессе эксплуатации радиантная часть змеевика находится под действием высоких температур. В зависимости от рабочих характеристик печи средняя температура на поверхности змеевика составляет 450-600 °С и более (печи пиролиза). В печах, где сырье склонно к коксообразованию (установки термического крекинга. замедленного коксования и др.), вследствие коксоотложения на внутренней поверхности температура стенки печных труб увеличивается. Диффузионное насыщение поверхностных слоев металла углеродом повышает его хрупкость и снижает стойкость к трещинообразованию. Данные обстоятельства являются основополагающими при выборе критериев оценки долговечности трубчатых змеевиков. Совместная разработка вопросов возникновения кризисных явлений в гидродинамике двухфазных потоков и прочности и долговечности материалов печных труб позволит создать адекватный подход к оценки долговечности и остаточного ресурса трубчатых змеевиков.

Основные направления исследований выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан (АНРБ) "Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологии" но направлению 6.2 "Надежность и безопасность технических систем в нефтегазо-химическом комплексе" на 1996-2000 годы, утвержденной постановлением Кабинета Министров РБ № 204 от 26.06.96, а также по Федеральной целевой программе ■'Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы (ФЦП "Интеграция") по государственному контракту № 28 "Создание совместного учебно-научного центра "Механика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газа".

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

На основе исследования гидродинамики потоков в змеевиках и сопровождающихся критических явлений, влияющих на поврежденность печных труб, разработать метод расчета долговечности и оценки остаточного ресурса трубчатых змеевиков нагревательных печей процессов нефтепереработки.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Определить современное состояние характера поведения материалов трубчатых змеевиков с учетом изменения фазового состояния и гидродинамических условий в нагреваемых потоках.

2. Провес™ анализ влияния гидродинамических условий двухфазных потоков на поврежденность труб в условиях эксплуатации нагревательных печей.

3. Разработать методику исследований гидродинамической структуры двухфазных потоков, а также динамики и характера коксоотложений в трубчатых змеевиках.

4. Установить закономерности коксообразования на внутренней поверхности трубчатых змеевиков с учетом изменения структуры двухфазного потока и исследовать динамику развития и характер коксообразований в трубах.

5. Разработать критерии оценки поврежденности материалов, учитывающие условия эксплуатации нагревательных печей.

6. На основе исследования напряженно-деформированного состояния трубчатых змеевиков разработать методы расчета долговечности и оценки остаточного ресурса печных труб.

7. Разработать рекомендации для практической реализации результатов исследований.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Разработаны критерии оценки поврежденное™ материалов печных труб и установлены закономерности их напряженно-деформированного состояния с учетом характера и динамики коксообразования, связанных с критическими явлениями в дву-хфазньк потоках.

2. Установлена взаимосвязь режимов течения двухфазных потоков в печных трубах с механизмом коксоотложения в них, заключающаяся в том, что интенсивность коксообразования определяется трехстадийным характером с наибольшим значением в третьей стадии. Первая стадия характерна для режимов течения, реализующихся в трубах при низких паросодержаниях, свойственных для режимов от пузырькового до дисперсно-кольцевого, вторая стадия характерна для дисперсно-кольцевого и дисперсного режимов и третья стадия наступает при дисперсном режиме.

3. Разработаны принципы расчета долговечности труб змеевиков, основанные на линейном законе суммирования повревдений и модифицированном коэффициентами, учитывающими характер и динамику коксообразования и фактический запас по пределу длительной прочности материала.

4. Разработана физическая модель коксообразования в печных трубах, заключающаяся в трехстадийном протекании' процесса. Начало третьей стадии определяется размером ядер, образующихся в дисперсном потоке под действием подъемной силы, направленной к оси трубы и возникающей в результате градиента скоростей в турбулентном двухфазном потоке.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1. Для расчета долговечности получено модифицированное уравнение повре-жденности печных труб, учитывающее условия эксплуатации нагревательных печей.

2. Получено универсальное уравнение для расчета длительной прочности стали 15Х5М, позволяющее определять его значение при температурах до 700 °С и времени до разрушения до 100000 ч. Предложенный подход можно распространить и на другие материалы.

3. Разработана методика оценки остаточного ресурса печных труб, базирующаяся на линейном законе суммирования повреждений с учетом нагрузок, обусловленных коксообразованием в трубчатых змеевиках.

4. Разработаны рекомендации по повышению производительности нагревательных печей установок селективной очистки масел на АО "НУНПЗ".

5. Разработан и спроектирован узел ввода ингибитора коксообразования для печей пиролиза с целью увеличения межремонтного пробега и повышения долговечности змеевиков.

6. Разработана, спроектирована и изготовлена в АО "Нефтехимремстрой" трубчатая печь модульной конструкции, предназначенная для нагрева теплоносителя для установки производства стабилизаторов полимеров на АО "НУНПЗ ".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты диссертационной работы докладывались в 1984-97 годах на Всесоюзных, Всероссийских и Республиканских конференциях по проблемам, направленных на повышение эффективности, надежности и долговечности нефтехимического оборудования, в том числе на:

-Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии", Сумы, 1986;

-Республиканской научно-технической конференции "Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплекса", Уфа, J 995;

-Всероссийской научно-технической конференции "Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность предприятий". Уфа, 1996;

-Республиканской научно-технической конференции "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий", Уфа, 1997.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6 статьях, 15 тезисах докладов конференций, получено 1 авторское свидетельство.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 86 наименований, содержит 158 стр. машинописного текста. 38 рис., 16 табл. и приложений.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, цели и задачи исследований и приведена краткая характеристика работы.

В первой главе рассматривается образование и развитие критических явлений в двухфазных обогреваемых потоках. Рассмотрены режимы и структуры тече-• ния, характерных как для горизонтального, так и для вертикального и наклонного направления движения двухфазного (парожидкостного) потока. Особое внимание уделяется дисперсно-кольцевому и дисперсному режиму, так как в этой зоне, как правило, возникают кризисные явления в гидродинамике и теплоотдаче. В процессе нагрева и испарения в общем случае происходит схема режимов течения парожидкостного потока в трубах: расслоенный, волновой, пузырьковый, снарядный (пробковый), эмульсионный, кольцевой, дисперсно-кольцевой, обращенный дисперсно-кольцевой, течение в виде тумана или водяной пыли. Кольцевая структура (пленочная, пленочно-дисперсная) характеризуется течением основной массы жидкости по внутреннему периметру трубы в виде жидкостного кольца, внутри которого с высокой скоростью движется паровое ядро. В вертикальных трубах жидкостное

в

кольцо принимает почти правильную форму. Дисперсно-кольцевой режим характеризуется отчетливо выраженной жидкой пленкой, текущей по внутренней поверхности трубы, и центральной струей паровой фазы, в которой распылена часть жидкой компоненты смеси. Обращенный дисперсно-кольцевой поток возникает в не смачиваемой трубе или при пленочном кипении. Рассматриваются основные закономерности перехода из одного режима течения в другой, что происходит при увеличении паросодержания в процессе нагрева смеси.

В результате смены режимов течения в двухфазных потоках возникают критические явления, которые приводят к внезапному падению коэффициента теплоотдачи с одной стороны, и повышению температуры поверхности нагрева с другой стороны. Отмечается, что кризис кипения при кольцевом режиме с высоким паросо-держанием наступает при значительно меньшем тепловом потоке, чем при пузырьковом течении с низким паросодержаиисм. Данное обстоятельство указывает на тот факт, что при кольцевом режиме течения коэффициент теплоотдачи значительно выше чем в начальной стадии образования двухфазного потока (при пузырьковом режиме). Это позволяет интенсифицировать теплообмен в обогреваемых двухфазных потоках путем регулирования паросодержания в нем. В этом случае необходимо иметь четкое представление о режимах двухфазного потока по крайней мере на участке его испарения. В противном случае кризис теплообмена, обусловленный частичным или полным испарением кольцевой пленки приведет к перегреву трубы выше допустимой температуры и преждевременному ее разрушению. Об этом свидетельствуют результаты обследований змеевиков ряда трубчатых печей АО "НУНПЗ" за весь период их эксплуатации. В таблице 1 приведены характер дефектов змеевиков и их соотношение на печах различных технологических установок.

Природа возникновения практически всех отмеченных дефектов связана с локальным или общим перегревом печных труб, а также с образующимися в процессе эксплуатации отложениями кокса на внутренней поверхности. Данный процесс неизбежен и интенсивность его определяется составом сырья, давления, температуры и другими факторами. Особенно он характерен для печей установок термических процессов переработки нефти (термический крекинг, коксование), в которых особую значимость приобретает состав сырья и высокие температуры.

Таблица 1

Дефекты печных труб

Кол-во Кол-во

Установка Вид дефекта дефектов. Установка Во дефекта дефектов.

АВТ-] прогар 13.3 43-102/1 прогар Ш.З

износ НП 16.7 износ НП 2.6

износ ВП 21.6 износ ВП 2.6

прогиб 1Л прогиб 38.5

отдулина 6.7 окалина 20.5

окалина 10.0 прочие 25.5

сетка крилп 16.7

прочие 12.3 ■

Замепеиное прогар 2.0 Риформинг-1 износ НП 25.0

коксование износ ВП 7.1 износ ВП 18.3

21-10/300 прогиб 69.3 прогиб 21.9

отдулина 5.9 отдулина 25.0

сетка крипп 0.6 сетка крмпп 7.8

прочие 17.1 прочие 2.0

Термический прогар -13.0 Среднее прогар 10.9

крекинг 3 износ ВП 26.3 по износ НП 19.6

(ТК-3) "Прогиб 13.1 заводу износ ВП 17.8

отдулина 4.8 прогиб 14.6

прочие 7.8 отдулина 11.3

окалина 6.Н

сетка крип л ».3

прочие 10.7

Примечание: ВП - внутренняя поверхность, Н11 - наружная поверхность

Коксоотложе/тя, значительно г.овышзя температуру стенки труб оказывают значительное влияние на их поврежденность, снижая при этом долговечность или срок службы. При анализе работы трубчатых печей установок термического крекинга (ТК-3) и замедленного коксования (21-10/300) на АО "НУНПЗ'" было выявлено, что наиболее часто выходят из строя одни и те же трубы змеевика на участках, где наиболее вероятно отложение кокса. Установлено, что наибольшая частота отказов печных труб приходится на 2...4 год их эксплуатации, что видно из рисунка 1.

Расчет долговечности и оценка остаточного ресурса работоспособности трубчатых змеевиков в связи с вышеуказанными обстоятельствами, связанными с особенностями гидродинамики двухфазных потоков должны осуществляться с их учетом. На основе анализа методов расчета теплонапряженных конструкций и оболочек определение долговечности трубчатых змеевиков необходимо производить по характеристикам длительной прочности. Применение гипотез суммирования повреждений позволит оценить специфику эксатуатации трубчатых печей, в частности,

процессы коксоотложений, интенсивность и динамика которых определяются как составом сырья, так и гидродинамическими аспектами двухфазного потока.

I, лет

Рисунок I - Частота отказов печных труб Таким образом, решение поставленных задач позволит значительно повысить ресурс эксплуатируемых трубчатых печей и создать предпосылки для разработки эффективных печных агрегатов различного технологического назначения.

Во второй главе приведено описание и назначение экспериментальных установок. предназначенных для исследования гидродинамики- и структуры двухфазных потоков на модельных системах и для исследования динамики коксообразования в трубчатых змеевиках. Представлены характеристики нефтяного сырья (крекинг-остатка), который был выбран в качестве объекта для исследования процесса коксо-отложения в лабораторных условиях.

На основе обзора определены характеристики длительной прочности стали 15Х5М, как наиболее широко применяемого для материального оформления трубчатых змеевиков нагревательных печей процессов нефтепереработки. Их температурный и временной спектр охватывает рабочие условия змеевиков.

В связи с тем, что предел длительной прочности для реальных сроков эксплуатации определяется путем экстраполяции экспериментальных данных, полученных при относительно кратковременных испытаниях, то в данной главе приведен обзор и анализ методов экстраполяции. Наиболее практичной для инженерных расчетов была признана степенная зависимость вида

°Л.П. = ^ ' Тр~">

где А и п - коэффициенты, определяемые экстраполяцией; тг - время до разрушения, ч.

На основе полученных зависимостей предела хтителыюй прочности от времени для изотермических условий была произведена линейная аппроксимация значений для коэффициентов А и п. Полученные результаты приведены в таблице 2. Таблица 2

Характеристики длительной прочности стали ¡5Х5М

1,иС Предел длительной прочности, МПа на базе Уравнение

т=0 ч т= 10000 ч т= 100000 ч

480 470 177 147 а = 467 .-..т"»-1024 К2 » 0.9983

540 382- ■ 98 74 а = 379,85-Я2 = 0,9991

570 346 84 53 о.!« 5;-иЛт И2 = 0.9973

600 310 57 36 Я" = 11.9996

620 286 45 27 Я2 = 0.9995

Примечание; Я' - достоверность аппроксимации

Коэффициенты Аил определены методом линейной аппроксимации, в результате чего получено универсальное уравнение предела длительной прочности стали 15Х5М для температурного интервала 400...700 °С вида

стдп =(-1,27174 + 1073,9)-Тр'0,Ш7'1-0"242) .

Данное уравнение было использовано при определении накопления повреждений змеевиков трубчатых печей в процессе эксплуатации.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований основных закономерностей гидродинамики двухфазных потоков в вертикальных и горизонтальных трубах. Регулируемое изменение газосодержания по длине змеевика позволило произвести физическое моделирование всех известных режимов течения. На основе визуальных наблюдений была построена диаграмма режимов течения. Установлено, что стабилизация режима течения происходит на расстоянии (15...22)0

для вертикальных труб и (20—26)0 для горизонтальных труб, где 0 -внутренний диаметр змеевика. Отмечено, что в вертикальных трубах расслоенный и волновой режим не наблюдаются. При изменении направления движения двухфазного потока независимо от режима течения, в отводе наблюдается расслоенная структура. Вдоль внутренней образующей отвода движется газовая фаза, вдоль внешней - жидкая, то есть происходит естественная сепарация потока.

Кольцевой режим в горизонтальных и вертикальных имеет ряд отличительных особенностей. В частности, в горизонтальных трубах имеет место асимметричность распределения, фаз по сечению: даже при очень высоких скоростях толщина пленки вдоль нижней образующей на порядок больше, чем вдоль верхней, где она имеет менее стабильное состояние.

Экспериментальные исследования основных закономерностей и динамики процесса закоксовывания трубчатого змеевика позволили развить представления о физических аспектах этого неблагоприятного явления. Интенсивность коксообразо-вания косвенно определялась по перепаду давлений в змеевике, измеряемому через определенные промежутки времени. Установлено, что динамика процесса коксооб-разования носит лавинообразный характер и его длительность составляет не более 10% от общей продолжительности эксперимента (рисунок 2).

МПа

Рвх-Рвых

О 1 2 3 4 5

время закоксовывания, ч

Рисунок 2 - Динамика закоксовывания при Рвх=1.0 МПа

Это указывает на тот факт, что гидродинамические условия, в частности, режим течения, в той или иной мере способствуют химическому развитию процесса коксообразования на внутренней поверхности.

Обработка экспериментальных данных позволила произвести аппроксимацию значений изменения перепада давлений с помощью полинома 5-го порядка, как имеющего наибольшую сходимость по погрешности Я\ Уравнения регрессии имеют следующий вид

при Рвх=0,4 МПа:

ЛР=0,01 62-т5-0, 1363 ■Т4+0,3846-Т3-0,4038-Г+0,0948-Т+0, 115,

при Рвх=1,0МПа:

ДР=0,0338-15-0,3243-т4+1,0819-т,-1,4524-г2+0,6675-т+0.021.

Визуальное обследование закоксованного участка змеевика показало, что толщина кокса постепенно увеличивается по мере приближения к выходному сечению, распределяясь при этом неравномерно внутри трубы по периметру: в верхней части толщина кокса больше, чем на нижней. Это обстоятельство указывает на то, что и в промышленных нагревательных печах будет иметь место неравномерность коксоотложений, причем независимо от ориентации труб: вертикальная или горизонтальное. Это определяется, во-первых, неравномерностью теплового потока (наиболее интенсивно коксоотложение будет происходить со стороны, обращенной к факелу), во-вторых, режимом течения двухфазного потока, например, в горизонтальном змеевике при небольших скоростях фаз имеет место расслоенный режим, что приводит в результате ухудшения теплообмена к перегреву части трубы, контактирующей с паровой фазой. Таким образом, путем изменения структуры двухфазного потока интенсивность коксообразования можно снизить.

На основе визуального анализа закоксованных элементов змеевиков трубчатых печей термических процессов переработки нефти выявлен ряд закономерностей, которые не объясняются, а в некоторых аспектах и противоречат существующими представлениями о механизме коксоотложений в обогреваемых трубах. Наиболее характерным случаем можно отметить внезапное увеличение интенсивности коксоотложений на фоне длительной (несколько месяцев) эксплуатации печи, предшествующему этому периоду. В данной ситуации, как правило, производится остановка

печи на ремонт с последующим паровыжигом кокса, поскольку в противном случае результатом может явится аварийная остановка печи на ремонт.

Результаты обследования внутренней поверхности закоксованных змеевиков нагревательных печей, а также результаты проведенных экспериментов определили некоторые предпосылки к созданию и развитию модели отложения кокса. В. этой связи следует отметить следующие наиболее общие и интересные моменты:

1) закоксовывание в двойниках (ретурбентах) практически не происходит;

2) процесс закоксовывания происходит на участке однократного испарения (в зоне перехода продукта из однофазного состояния в парожидкостное);

3) координата начала отложения кокса удалена на некоторое расстояние по ходу движения продукта от двойника и по мере приближения к выходу это расстояние сокращается;

4) продольное сечение закоксованного слоя в трубе имеет несимметричную (для горизонтальных труб) конусообразную форму.

Установленные факты позволяют предположить о протекании различных (порой конкурирующих друг.с другом) процессов и явлений: изменение свойств и. фазового состояния нагреваемого продукта с одной стороны и гидродинамика и теплообмен в двухфазном потоке в сочетании с комплексом технологических факторов с другой стороны.

Наиболее важным моментом в процессе коксообразования является возникновение кризисных явлений на участке змеевика с дисперсно-кольцевым и дисперсным режимами течения. Дисперсно-кольцевой режим характеризуется движением жидкой фазы в пристенном слое в форме кольца, а паровой фазы - в центре сечения. В паровой фазе в виде взвесей присутствует жидкая фаза. Жидкая фаза в кольцевом слое находится в крайне неустойчивом положении, которое обусловлено восприятием всей тепловой нагрузки со стороны нагретой трубы и передачей ее паровому пространству. Этот процесс сопровождается постоянным уносом части жидкой фазы в виде капель отрыва и наоборот. Отложение кокса здесь происходит исключительно из жидкой фазы, состоящей в основном из высококипящих и коксогенных компонентов. Отрицательную роль может играть также ламинарный пристенный слой. Очевидно, что толщина отложения кокса соизмерима с толщиной кольцевого слоя

жидкости. Этот процесс характеризуется относительной длительностью протекания и является первой стадией коксообразования.

Вторая стадия отложения кокса происходит из паровой фазы за счет диспергированной в ней жидкости. Важным обстоятельством в этом процессе является градиент скоростей в сечении потока: у поверхности трубы линейная скорость потока намного меньше, чем в центре. Распределение скоростей при турбулентном режиме течения описывается следующим уравнением

° =Ита.\ -('-К/Ко)^'

где о„иХ - максимальная скорость потока в центре трубы;

Я - расстояние от оси трубы;

Ло - внутренний радиус трубы.

В связи с этим концентрация капель жидкой фазы в центре трубы будет значительно выше. Данная ситуация приведет к возникновению коллективных эффектов, которые проявляются в виде образования движущегося ядра или слоя, состоящего из диспергированных капель жидкой фазы. Постоянное парообразование с поверхности капель препятствует их объединению. Между движущимися ядрами преобладает паровая фаза с незначительным содержанием паровой фазы в виде капель. Последние могут переходить как в ядро, так и осаждаться на поверхности 1рубы в виде кокса. Скорость этого отложения будет пропорциональна концентрации частиц жидкости в паровом пространстве. Таким образом, будет наблюдаться медленное образование коксоотложений, что в конечном итоге приведет к ситуации, когда свободное сечение потока будет соизмеримо с размерами отмеченных выше ядер (коллектива частиц). Для определения размера образующихся ядер можно выдвинуть следующее предположение: на каждую каплю жидкой фазы, движущуюся в переменном поле скоростей действует подъемная сила, направленная к оси трубы. Под действием этой силы скорость капли увеличивается и стремится к максимальном}' значению (как в центре трубы). Тогда, по условию сохранения расхода можно записать следующее выражение

Яо Ях

[г^Я-со-сШ = |2яЯ-сотах-с1Я.

о о

Подставив в данное уравнение предыдущее выражение, преобразовав и проинтегрировав получено, что наибольший радиус образующихся ядер составляет

^=0,9041^.

Таким образом, вторая стадия завершится при достижении свободного сечения, внутренний радиус которого составляет Только в этом случае процесс кок-сообразования перейдет в третью сшиао, которая вызывается нарушением равновесия в ядрах с последующим их разрушением и интенсивным отложением на частично закоксованной поверхности. Этим и объясняется начало интенсивного коксоот-ложения в завершающей стадии, длительность которой имеет наименьшее значение по сравнению с другими стадиями.

Четвертая глава посвящена методологии определения долговечности змеевиков трубчатых печей и оценки их остаточного ресурса. При этом обсуждаются подходы к оценки накопления повреждений с учетом особенностей, изложенных в третьей главе, в частности, установленных фактов неравномерного и нелинейного характера коксоотложений.

В данном случае применение линейного закона суммирования повреждений в классическом представлении ограничено, т.к. не учитывается воздействие нагрузок, вид и изменение которых обусловлен характером и динамикой коксоотложений в печных трубах, а также фактический запас по пределу длительной прочности, который, как известно, по мере накопления повреждений снижается. В связи с этим по-врежденность трубчатого змеевика в зоне возможного коксоотложения можно определить по уравнению

где п,- коэффициент, учитывающий влияние характера и динамики отложения кокса;

п0- коэффициент, учитывающий запас по пределу длительной прочности в рассматриваемый момент эксплуатации труб.

Для оценки реальной поврежденное™ следует определить совокупность действующих нагрузок. Здесь следует обратить внимание на возникновение напряжений в результате неравномерного коксоотложения. Это может привести как к локальной пластической деформации трубы, так и к деформированию всей трубы (прогибу) с разрушением крепления змеевика и аварийного нарушения его целостности. Рассматривая задачу о свободном деформировании трубы в условиях равномерного теплового потока по ее периметру и изменения степени неравномерности коксоотложений была построена номограмма, приведенная на рисунке 3.

Напряжение, МПа

Неишмерносгь ксксоошжешш, ми-

а - температурный перепал между дымовьши газами и сырьем в тругх: 300°С.

5 - 350°С. в - 400°С: 1 - 31«,«,= 0,05 Вт/(м-К). 2 - 0.10 Вт/(мК). 3-0,15 Вт/(мК). 4 - 0.20 Вт/(« К) Рисунок 3 - Номограмма для определения напряжений в трубах при • _ . неравномерном коксоотложении

Обратное использование ключа к номограмме позволяет по величине деформации трубы оценить неравномерность коксоотложеннй на данном участке, имеющей место на конец межремонтного пробега печи.

Условие длительной прочности при сложном напряженном состоянии основано на введении понятия эквивалентного напряжения. В настоящее время наибольшее распространение получил критерий Сдобьгрева . стэ =0,5-(ст] +а,-).

Для труб в качестве максимального нормального напряжения СТ] принимается „

=-. Интенсивность напряженииСТ)- определяется по выражению

где а - максимальное значение меридиональных напряжений, возникающее в змеевике при неравномерно закоксованном состоянии и определяемое по рисунку 3.

Таким образом, текущий коэффициент запаса по пределу длительной прочности определится по соотношению

Для определения коэффициента п, вводится понятие эквивалентной схемы на-гружения змеевика. Пологая, что интенсивность коксоотложений пропорциональна изменению давления в нем, то численное значение данного коэффициента определяется по условию равенства площадей под графиками реального и эквивалентного на-гружения в системе координат ДР-т, т.е.

т

[ ДР-(Зт

п,=_0--

ДРтах 'Ттах

Расчеты показывают, что значение коэффициента П1 для рассматриваемых условий принимает находится в пределах от 0,1 до 0,2.

Определение долговечности змеевиков производится путем построения кривой поврежденности. На рисунке 4 в качестве примера приведены результаты численного расчета реальной долговечности трубчатого змеевика печи термического крекинга с учетом и без учета неравномерности и динамики коксообразования.

Анализ полученных результатов показывает, что при принятых условиях (как в печах термокрекинга) время до разрушения печной трубы составит 24000 ч или около трех лет, что удовлетворительно согласуется с результатами обследования печных змеевиков АО "НУНПЗ", приведенных на рисунке 1. Предложенный метод определения долговечности печных труб позволяет оценить их повреждснность на любой стадии эксплуатации и, следовательно, оценить их остаточный ресурс. В этом случае для заданных условий эксплуатации строится кривая поврежденности. Причем оценку толщины коксоотложений и ее неравномерности можно производить по рисунку 3. Длительность межремонтных пробегов и их количество определяется по соответствующей технической документации. Используя положения, приведенные выше остаточный ресурс можно оценить по следующему уравнению

^Чс-О-П,). где {ПрСД - предел эксплуатации печных труб соответствующий полной поврежденности змеевика (П =1), час;

- поврежденность змеевика, соответствующая текущей наработке.

длительность эксплуатации, ч

Рисунок 4 - Накопление повреждений печных труб Пятая глава направлена на практическую реализацию результатов исследований. В этой связи определены следующие направления обеспечения долговечности трубчатых змеевиков и эффективности печей:

1) путем регулирования структуры двухфазного потока в трубах обеспечить дисперсно-кольцевую, как наиболее эффективную с точки зрения теплоотдачи форму течения изменением паросодержания по длине змеевика. При этом в зону с пониженным ларосодержанием или на входе в змеевик вводится необходимое количество водяного пара. По мере увеличения паросодержания. во избежание повышения перепада давлений и запирания змеевика, излишнее количество паровой фазы на участке однократного испарения удаляется, используя сепарирующее действие отводов и поворотов трубчатого змеевика. Координата отбора паровой фазы определяется расчетным путем;

2) при проектировании новых печных агрегатов конструкция должна быть модульного типа, что позволит значительно сократить сроки и затраты при монтажных и ремонтно-восстаковительных работах. Кроме этого, радиантная часть змеевика должна иметь участки, вынесенные за пределы печи, предназначенные для ввода и

вывода необходимого количества водяного пара с целью регулирования структуры двухфазного потока.

Реализация этих принципов позволила разработать систему отвода паровой фазы из спирального змеевика нагревательной печи установки селективной очистки масел фенолом на АО "НУНПЗ". Рассчитана оптимальная координата отбора паровой фазы и ее конструкция, позволяющая повысить производительность печи по сырью на 14 %. Предложено уравнение для расчета давления в начале участке однократного испарения трубчатого змеевика с учетом отбора паровой фазы

Р„ =

Р*2+— (ех-Ьх-А2+(е-ех)-(Ь11-Ьх)-А1) Рп

где Рк - давление на выходе из печи;

р, рп - плотность смеси и паровой фазы;

е, ех - доля отгона на выходе из печи и на расстоянии Ц- от конца змеевика;

Ь„ - длина участка испарения;

Аь А2 - коэффициенты.

В нагревательных и реакционных печах, где сырье находится в газовом шли паровом виде (печи пиролиза) для предотвращения коксообразования применяют различные ингибиторы, присутствие которых способствуют реакции газификации кокса. Например, в отделении пиролиза цеха 1-1 АО "Уфаоргсинтез" в качестве ингибитора применяется карбонат калия К2СО3. При анализе работы печей пиролиза было установлено, что наибольшую частоту отказов имеет узел ввода ингибитора и следующие за ним трубы, что является причиной снижения межремонтного пробега до 60...70 суток. Был отмечен высокий перепад температур между ингибитором и средой в пирозмеевике, что в конечном итоге приводит к выгоранию и разрушению узла ввода и сопряженных с ним труб. В этой связи был разработан и спроектирован оригинальный узел ввода ингибитора, представляющий собой пневматическую форсунку с паровым распылением ингибитора. Минимальное соотношение между расходом ингибитора Уи при давлении Р„ с плотностью ри и расходом водяного пара \'„ при давлении Р„ и плотности рп определяется по параметрическому уравнению

ча3 а,; V а4 а2 )

где ¿1 - характерные размеры форсунки.

При проектировании нагревательной печи для установки "Флуорекс-1510" АО "НУНПЗ" были испытаны модульные принципы конструкции для подобных агрегатов. позволившие сократить сроки ее изготовления до 1.5 месяцев и монтажа до 5 дней. Данная печь состоит из следующих модулей: под печи, четыре радиантные секции, включающие металлический каркас, футеровку и змеевик с подвесками, свод, конвекционная секция, газосборник с шибером и дымовая труба. Герметизация стыков производится каолиновой ватой и шнуровым асбестом. Соединение змеевика между секциями осуществляется посредством вынесенных за пределы печи трубных элементов с отводами, что позволяет при необходимости изменить количество сырьевых потоков и создавать дисперсно-кольцевую структуру в каждой радиантной секции путем ввода-вывода водяного пара. Эти и другие преимущества позволили печи успешно пройти промышленные испытания.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа эксплуатации нагревательных печей процессов нефтепереработки установлено, что разрушение и выход из строя печных труб взаимосвязано с гидродинамическими факторами в змеевиках, которые обусловлены режимом течения двухфазного потока и процессом коксообразования на внутренней поверхности трубчатых змеевиков. Установлено, что печные трубы наиболее часто выходят из строя через 2...4 лет эксплуатации.

2. Установлены закономерности характера и динамики коксообразования в трубчатых змеевиках, которым присуши во-первых, неравномерность коксоотложении по периметру трубы, во-вторых, трех стадийный процесс образования кокса, которые взаимосвязаны и определяют межремонтный пробег нагревательных печей.

3. Разработаны критерии оценки поврежденности материалов, учитывающие неравномерность коксоотложении и динамику его развития.

4. Разработан метод расчета долговечности трубчатых змеевиков, основанный на линейном законе суммирования повреждений, модифицированном коэффициентами, учитывающими коксообразование и фактический запас по пределу длительной прочности материала. В результате расчета по заданным условиям установлено, что долговечность трубчатого змеевика составляет 24000 ч, что удовлетворительно коррелирует с фактическими результатами.

5. Разработаны методологические аспекты оценки остаточного ресурса трубчатых змеевиков, основанные на накоплении повреждений с учетом процесса коксообразования.

6. Обоснована и разработана система отвода паровой фазы из спирального трубчатого змеевика, позволяющая значительно сократить давление на входе в нагревательную печь и повысить производительность по сырью на 14 %.

7. На основе обследования печей пиролиза АО «Уфаоргсинтез» установлено, что причиной низкого межремонтного пробега является несовершенный узел ввода ингибитора коксообразований. Разработано и спроектировано устройство ввода, позволяющего значительно снизить его температуру и увеличить межремонтный пробег печей.

8. Разработаны основы при проектировании нагревательных печей процессов нефтепереработки, конструкция змеевика которых позволяет регулировать структуру и режим течения двухфазного потока и повысить долговечность змеевика и эффективность печи.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. А,с. № 1491882 МКИ C10G 9/20. Вертикальная цилиндрическая трубчатая печь/ И.Г.Ибрагимов, Е.А.Филимонов, И.Р.Кузеев, М.И.Бая'зитов и др.- Бюлл. Изобр. №25,1989.

2. Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г., Кузеев И.Р. Исследование диффузионных явлений на границе кокс-металл// В сб.: Роль студенческой молодежи в ускорении научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышленности. -Уфа, 1984,-с. 68.

3. Баязитов М.И.. Шарафиев Р.Г., Давлетшин М.Б. Определение коэффициента диффузии и глубины науглероживания металла коксовых камер// В сб.: Проблемы глубокой переработки остатков сернистых и высокосернистых нефтей и газовых конденсатов. - Уфа. 1984.-е. 182.

4. Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г., Корякин П.О. и др. Расчет термодеформирования печных труб на ЭВМ// В сб.: Проблемы глубокой переработки остатков сернистых и высокосернистых нефтей и газовых конденсатов. - Уфа. 1984.-е. 180-181.

5. Баязитов М.И., Меркурьев А.Г. Оценка интенсивности отложения кокса в печных трубах по состоянию газожидкостного потока в них// В сб.: Молодежь и научно-технический прогресс. - Уфа, 1986.-е. 8.'

6. Ибрагимов И.Г., Баязитов М.И., Захаров Н.М. К вопросу об интенсивности замены печных труб по годам// В сб.: Научно-технической творчество молодежи в помощь производству. - Уфа, 1986.-е. 66.

7. Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г., Газиев P.P. и др. Анализ напряженно-деформированного состояния печных труб// В сб.: Научно-технической творчество молодежи в помощь производству.-Уфа, 1986.-е. 67.

8. Кузеев И.Р,, Филимонов Е.А.. Баязитов М.И. и др. Моделирование образование первичных структур ири термолизе нефтяного сырья// В сб.: Проблемы повышения качества нефти, газа и нефтепродуктов. - Уфа, 1986.-е. 50-52.

9. Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г., Баязитов М.И. и др. Предотвращение коррозии сталей при коксовании нефтяных остатков// Химия и технология топлив и масел. 1986, №3. с. 8-9.

10. Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г., Хайрудинов И.Р..Баязитов М.И. Особенности диффузии углерода из нефтяного кокса в металл// Химия и технология топлив и масел. 1986, №6, с. 13-14.

11. Ибрагимов И.Г., Кузеев И.Р., Филимонов Е.А., Баязитов М.И. Гидродинамика двухфазных потоков// В кн: Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии. - Сумы, 1986, с. 215-216.

12. Ибрагимов 'И.Г., Кузеев И.Р., Филимонов Е.А., Баязитов М.И. Остаточная толщина стенки труб конвекшдашых и радиантных экранов нагревательных печей// В кн: Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии. - Сумы, 1986, с. 217-218.

13. Баязитов М.И., Чиркова А.Г. Модульная печь для установки 37/3 АО "Уфанефтехим"// В сб.: Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплекса. -Уфа, 1995, с. 52.

14. Баязитов М.И., Кузеев М.И., Сельский Б.Е. Определение остаточного ресурса оболочковых конструкций// В сб.: Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность. - Уфа, 1996, с. 27-28.

15. Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г. Закоксовьшание змеевиков и критическая деформация печных труб// В сб.: Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность. - Уфа, 1996, с. 122-123.

16. Баязитов М.И., Тляшева Р.Р. Повышение эффективности и экологической безопасности двухскатных печей// В сб.: Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность. - Уфа, 1996, с. 190-191.

17. Баязитов М.И., Кузеев И.Р. О механизме коксообразования на внутренней поверхности печных труб// В сб.: Нефть и газ. - Уфа, 1996.

18. Баязитов М.И., Ионкин В.Е., Морозов А.Ю. Повышение эффективности печей пиролиза// В сб.: Нефть и газ. - Уфа, 1996.

19. Баязитов М.И. Оценка поврежденности печных труб в условиях эксплуатации/Я? сб.: Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. - Уфа, 1997. с. 203-210.

20. Баязитов М.И. Долговечность печных труб нагревательных печей // В сб.: Десять лет эксперимента на кафедре МАХП. Некоторые результаты,- Уфа, УГНТУ. 1997. с. 63-65.

21. Лыскж A.B., Баязитов М.И. О коллективных эффектах в змеевика трубчатых печей// Материалы 49-й конференции молодых ученых, аспирантов и студен-тов.-Уфа, УГНТУ, 1998.

22. Борисов О.В., Баязитов М.И. Оптимизация гидродинамики и снижение интенсивности коксообразования в трубчатых печах// Материалы 49-й конференции молодых ученых, аспирантов и студентов.-Уфа, УГНТУ, 1998.

Соискатель

М.И.Баязитов

Подписано к печати 02.09.98. Формат бумаги 60x84 1/16.

Бумага писчая. Печать офсетная. Печ. листов1,5. Тираж 100 экз. Заказ 127.

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета. 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.