三級旋風分離器失效原因分析

段少麗 (武漢交通職業學院機電工程系,湖北武漢430065)

姜忠寶 (武漢軍械士官學校教務科,湖北武漢430075)

旋風分離器是利用旋轉氣流的離心力將氣、固兩相流中的固體顆粒甩到器壁,達到分離目的的一種除塵裝置[1]。由于它本身無運轉部件,工作穩定可靠,造價低,處理單位空氣量所占空間小,能承受高溫、高壓、高濃度等苛刻條件,且使用壽命相對較長等優點,因此廣泛應用于石油、化工、冶金、機械制造、糧食與飼料工業及環保工程中。近年來,旋風分離器在結構形式、分離機理及流場分析等方面的研究已進入新的的階段,許多經驗公式在流體力學、幾何結構學及相似理論等指導下不斷完善[2]。三級旋風分離器是煉油廠催化裂化再生煙氣能量回收裝置的關鍵設備之一,目前國內常用的是立置多管式三級旋風分離器,它的工作狀況直接影響到整個裝置的能耗和經濟效益,如果三級旋風分離器失效,會造成煙機入口粉塵濃度和顆粒直徑嚴重超標,煙機不能正常運行,煙氣能量無法回收,因此有必要對三級旋風分離器的結構進行失效分析,以便有的放矢地對其進行維修或改進,減少損失。

國內不少用于重油催化裂化的多管式三級旋風分離器在經過長期高溫使用后,很容易發生高溫失穩,有時甚至破裂,尤其下隔板的變形最為嚴重;另外還常見套管傾斜和單管被結焦堵塞或流通不暢的現象。用于重油催化裂化的多管式三級旋風分離器在實際操作中除了承受靜載荷的作用外,還承受風載荷、地震載荷以及由于流體流量、流速變化引起的壓力脈動和溫度變化引起的溫度脈動等動載荷的作用,所以三級旋風分離器的失效不僅有靜態因素的影響,而且還有動態因素的影響,忽略了哪一方面都無法對其進行正確的失效原因判斷,從而無法對其進行合理的維修、改進設計或優化設計。下面,筆者以目前國內在煉油廠中最常用的立置多管式三級旋風分離器為對象進行分析。

圖1 分離器結構和上、下隔板的壓力載荷示意圖

1 三級旋風分離器

三級旋風分離器的結構為壓力外殼加吊筒式的雙層隔板結構,吊桶、上、下隔板、套筒和單管是三級旋風分離器最關鍵的部分。上、下隔板將三級旋風分離器分割成3個室 (見圖1):集氣室a、氣體分配室b、集塵室c,煙氣的分離過程在氣體分配室b中完成,而凈化的氣體上升進入集氣室a,固體顆粒則下落到集塵室c。典型的多管式旋風分離器分離各種催化劑顆粒的效率為:5μ m可除去91%,10μ m可除去99%,12μ m以上的顆粒可全部除凈。

2 失效原因分析

2.1 靜態因素的影響

三級旋風分離器的上、下隔板都為向上凸的拱形,因此,上隔板承受內壓P上,而下隔板則承受外壓P下,如圖1所示。分離器在工作時,煙氣從進口進入到氣體分配室b時,形成一個相對高壓區,壓力P1=0.2～0.3MPa,而后氣體上升進入集氣室a,這時的氣體相對緩和,壓力P2＜P1,由于集塵室c中是從煙氣中分離出來的固體,壓強相對最小,壓力P3＜P2。因此下隔板承受的外壓比上隔板承受的內壓要大得多,即P上＜P下。根據上、下隔板的設計準則:

可知,下隔板承受的應力要遠大于上隔板的應力,由于上、下隔板上分布著幾十個單管,在單管和隔板的連接處很容易形成應力集中,這使得下隔板的應變比上隔板及其他部位都大得多。其中,σ為前向拉伸應力;P為上、下隔板上所承受的壓力差;D為上、下隔板的球形曲率直徑;δe為當量壁厚,考慮到開口削薄及焊接等承載因素,將設計壁厚等效成當量壁厚;[σ]t為許用應力,該應力大小隨溫度的變化而變化。

另外,下隔板除了承受自身的重力外,還要承受分離單管及吊筒等其他部件的重力。文獻 [3]對分離器載運行操作壓力載荷下的應力和變形進行了計算分析,結果發現分離器損壞的主要原因是上下隔板結構受力狀態不合理而使下隔板和套管產生過大變形導致單管旋流部分脫出。

在大型煉油廠催化裂化裝置中,再生器排出的煙氣溫度在650℃以上,尤其是在發生短期超高溫(800℃以上)下,往往會發生局部凹陷,嚴重時下隔板整個翻了過去,造成整體失穩。研究表明,在溫度超過650℃以后,上、下隔板所用的不銹鋼材料的力學性能急劇下降,導致了立置三級旋風分離器在使用過程中上、下隔板變形嚴重,分離效率下降,甚至完全失去分離作用[4]。

2.2 動態因素的影響

三級旋風分離器大都由泵 (或壓縮機)來提供流體流動的動力,在實際工作中,泵出口開始輸出的壓力P與流量Q就并非絕對穩定,由于泵體容積的變化或元件的缺陷,總是以一定的振蕩輸出壓力流體,尤其是當開、停車及故障性停車將引起三級旋風分離器吸氣和排氣的間歇性,使流體的壓力和速度發生變化,引起負荷不穩定,即產生氣流脈動。正常生產中也經常發生壓力的波動,壓力波動大概在0.05MPa左右。當脈動流體進入三級旋風分離器的管道和其他元件時,如果管道或元件的剛度大,振動阻力大且無缺陷時,壓力脈動將逐漸衰減趨于穩定的壓力流;而當脈動流體的壓力振動頻率與元件或分離器的固有頻率一致或接近時,將會出現振幅不穩定的共振現象,使分離器無法工作,甚至使元件遭到破壞。另一方面,當分離器或元件出現缺陷,或外界 (如風載荷、地震載荷等)對分離器產生擾動時,都將會使流體因受到激勵而產生不穩定狀態,從而造成沖擊、振動、噪聲和氣穴、氣蝕等現象使分離器失穩[5]。

交變載荷會引起分離器各部件的振動,當振動量超出允許范圍之后,振動將會影響分離器的工作性能,使分離器的部件產生附加的動載荷,從而縮短其使用壽命;另外振動常常會產生巨大噪音,污染環境;振動強烈時,甚至造成嚴重事故。如果動載荷引起的振動頻率和振型與靜載荷產生的應力和應變疊加,或產生某階固有頻率下的共振,都會加劇結構的變形和破壞,如在應力集中的局部區域,當交變載荷作用時會造成疲勞失效;在低溫或使用高強鋼時還可能產生脆性斷裂。當分離器中的壓力脈動作用在分離器部件的連接處或是拐彎處,就成為激發管道系統作機械振動的激發力。氣流脈動激發結構作機械振動,結構的振動反過來又會引起機組的振動,氣流脈動引起振動頻率與結構的自振頻率相同時,就會發生共振,這樣應力集中部位受到的影響比其他部位大得多,使應力集中部位產生較大的應力或應變波動,從而形成斷紋源。該斷裂紋輕者使變形加劇,重者甚至產生斷裂或爆炸,使介質泄漏污染環境,造成人員傷亡等嚴重的后果。

另外,在正常操作時,因負荷的波動和操作原因,煙氣的流量和流速發生變化,使物料產生偏流,造成三級旋風分離器的分離單管堵塞,從而使旋風分離器負荷增大,出現套管和分離單管嚴重脫離的現象。同時,由于流體中存在的固體顆粒對分離器器壁的不斷沖刷,尤其是有脈動時的間歇性沖刷使分離器出現沖刷腐蝕,有缺陷的部位會出現穿孔。

因此,要使過程設備安全可靠地運行,設計時應考慮動態因素,分析和解決振動問題。

3 結 語

三級旋風分離器在實際工作中要承受各種各樣的載荷,不同的載荷對其的影響也不同,分離器的失效損壞是多種因素綜合的結果。不僅有機械載荷,而且有熱載荷,并且這些載荷往往都發生交變,靜載荷產生的應力集中及交變載荷的振動成為影響分離器工作的最大的威脅。為了保證分離器的安全可靠的工作,應定期對其進行檢驗,在保證其工作效率和工作性能不受影響的前提下,采取相應的措施來提高設備的剛度和強度,減少部件的振動和流體脈動。

通過分析可以發現,在三級旋風分離器的設計中不僅要考慮靜載荷的影響,而且不能忽視動載荷尤其是交變載荷的影響,如何在設計階段實現兩者兼顧成為今后的工作重點及難點,有待進一步的研究。

[1]張艷輝,劉有智,霍紅,等.旋風除塵器的研究進展[J].華北工學院學報,1998(4):324-328.

[2]宋賢良,朱利.軸對稱進口旋風分離器性能的研究 [J].鄭州工程學院學報,2000(4):34-37.

[3]趙培錄,姜華,段少麗,等.重油催化裂化多管式旋風分離器損壞分析及結構優化 [J].化工設備與防腐蝕 [技術產品版],2004(1):27-30.

[4]李振興,權軍勝.催化裂化立管式與臥管式三旋的綜合分析比較 [J].石油化工設備技術 [靜設備],1997,18(4):7-10.

[5]祁仁俊.液壓系統壓力脈動的機理 [J].同濟大學學報,2001,29(9):1017-1022.