煉油催化劑加壓焙燒爐筒體關鍵部位應力在線監測技術研究

中圖分類號 TQ054 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）04-0683-06

煉油催化劑的生產過程中，加壓焙燒是賦予催化劑特定孔結構和活性的關鍵工序。加壓焙燒爐通常設計為大型立式或臥式壓力容器，工作溫度最高可達 800^°C ，介質環境復雜，而筒體作為主要承載部件，其安全運行至關重要。在實際運行中，由于頻繁的開停車、溫度壓力波動、局部過熱和復雜的結構約束，筒體上的人孔、物料進出口接管、支座焊縫等幾何不連續區域極易成為應力集中的薄弱關鍵部位[1.2]

近年來，隨著煉油行業向重質、劣質原油加工方向發展和催化劑性能要求的不斷提升，加壓焙燒工藝參數愈發復雜，對焙燒爐筒體的安全可靠性提出了更為嚴苛的挑戰[3]。設備在長期服役過程中，關鍵部位累積的疲勞損傷和潛在的蠕變、應力腐蝕風險不容忽視。傳統的離線檢驗和定期檢修的安全保障模式，其滯后性和片面性日益凸顯。一方面，傳統停機檢驗窗口期有限，難以覆蓋所有潛在風險點，且無法捕捉設備在動態運行載荷下的真實應力狀態；另一方面，常規無損檢測（如超聲、射線檢測技術）對微裂紋萌生和早期損傷的檢出能力有限，往往在損傷發展到一定程度才能被發現，此時可能已臨近失效邊緣，存在重大安全隱患。因此，本研究基于某煉油催化劑加壓焙燒爐長周期安全運行這一核心需求，致力于開發一種適用于加壓焙燒爐筒體關鍵部位的應力在線監測技術。

1焙燒爐筒體應力在線監測技術開發

1.1 高溫應力測試

高溫應力測試的方法有多種，如：激光干涉測量、光纖光柵測量、CCD相機拍照測量及高溫應變片測量等。目前，對于高溫運行工況下的應力測試最優方法就是采用高溫應變片測量，高溫應變片的種類很多，根據安裝方式的不同可分為3種：粘貼式高溫應變片、焊接式高溫應變片、噴涂式高溫應變片。

焙燒爐筒體材質為鎳基合金Incoloy800H，運行時筒體最高工作溫度超過 500^°C ，為解決熱應力、疲勞環境下的應變計可靠性問題，最終采用焊接式高溫應變計，其基底材料為Inconel600，工作溫度可達 800^°C ，應變片示意圖如圖1所示。

圖1應變片示意圖

1.2 數據采集與傳輸

數據采集采用了一款多功能的信號采集傳輸設備，用于設備的狀態監測、檢測以及設備的物聯網采集系統?？刹杉鞣N橋式傳感器（如全橋、1/4橋、半橋）應變應力測試信號，可實現壓力、重量、位移等物理量的數據采集，同步采集數字量信號、電壓信號、應變信號、脈沖信號以及通信信號等，對外具備TCP、串口、WiFi等信號輸出。

1.3 監測軟件

針對煉油催化劑加壓焙燒爐研究開發出一套在線監測軟件，軟件界面如圖2所示。該軟件可對測試參數進行設置，如應變轉應力參數、電壓轉力學參數、報警閾值等，當監測值超過設定的預警值時，軟件會自動開啟警示功能。采集過程中，可人工隨意查看相應的監測數據，如實時采集的毫伏電壓值、應變值、橋路應變值、應力值等。此外，所有監測數據可自動保存并生成相應日期的數據文件夾，以便后續查看和分析。

2 現場試驗與分析

2.1 現場試驗

利用本在線監測技術對某煉油催化劑焙燒爐筒體進行關鍵部位應力在線監測。結合有限元分析結果和實際運行工況，人料口附近因物料投入時溫度波動較為劇烈，熱應力較高，確認該部位為應力監測點。同時，為更加精準地研究焙燒爐監測部位各監測點之間應力變化規律和相關影響因素，在每個應力監測點鄰近區域同時布置熱電偶（應力監測點 S₁～S₁₂ ，熱電偶監測點 T₁～T₁₂ ），以便采集和監測各點的溫度，焙燒爐應變片與熱電偶現場安裝示意圖如圖3所示。

2.2 監測數據分析

該監測技術監測時間約500天，隨機抽取5個運行周期監測部位的應力-時間與溫度-時間曲線如圖4所示（ ?S₁₂，T₁₂ 無數據）。由圖可知，各監測點應力隨焙燒爐運行時間的變化而變化，結合焙燒爐運行工況和溫度-時間曲線分析，應力的變化和焙燒爐運行溫度變化有關。在升溫階段，各點的應力均隨溫度升高而增大；當溫度達到生產溫度時，各監測點應力也趨于穩定；在生產完成后，焙燒爐開始降溫，此時應力相應的隨溫度的降低而減小。5個周期監測部位應力最大值列于表1，各周期應力最大值均小于焙燒爐筒體在500C 下的許用應力 98.6MPa 。

圖3焙燒爐應變片與熱電偶現場安裝示意圖

圖45個運行周期監測部位應力-時間與溫度-時間曲線

e.周期5

表1各周期最大應力值 MPa

2.3 疲勞分析

2.3.1 循環的基本特性

對于圖5所示的交變應力，可以用最大應力σ_max 、最小應力 σ_min 、平均應力 σ_m 、交變應力幅 及應力比R等特征參量表示。

圖5 應力循環曲線

最大應力、最小應力、平均應力、交變應力幅和應力比之間的相互關系為：

σ_m=0.5（σ_max+σ_min）

σ_a=0.5（σ_max-σ_min）

R=σ_min/σ_max

當 R=-1 即 σ_m=0 時，為對稱循環；當 R=0 即σ_min=0 時，為脈動循環。

2.3.2 設計疲勞曲線

Incoloy800H材料的疲勞曲線如圖6所示。在低周疲勞試驗中是以應變作為控制變量的，但為了和高周疲勞曲線中縱坐標表示的應力幅相一致，可將應變按彈性規律轉化為應力幅，由此提出了虛擬應力幅S。

圖6Incoloy800H材料的疲勞曲線

虛擬應力幅S等于材料彈性模量 E 與真實總應變幅 的乘積，即：

S=0.5Eε

2.3.3 疲勞累積損傷

焙燒爐筒體在實際運行中所受的交變載荷幅是隨時間變化的，其大小載荷幅的作用順序也是隨機的，從監測的5個周期數據結果顯示也是如此。若以其中最大幅值來計算交變應力幅就比較保守，工程中可以用線性疲勞累積損傷準則來計算較為準確的疲勞壽命，即：

由于焙燒爐每個周期的交變應力幅及循環次數不定，因此只考慮最大應力幅值。

2.3.4 應力門檻值的確定

假設焙燒爐監測部位5年以內不發生失效，共1825天，以7天經歷一次循環，則總循環次數N=1825÷7=260.71 ，循環次數取整為261次，取圖6中的 540°C 曲線對應的應變幅為0.0057，計算成虛擬應力幅 S=0.5×167000×0.007=584.5MPa_?

因此，假設該設備計劃使用年限為5年，每個周期應變幅值不得超過 584.5MPa ，即最大應力不得超過 584.5MPa ，該值可作為焙燒爐筒體在線監測時的應力門檻值。

3結束語

本研究成功開發并應用了一套煉油催化劑加壓焙燒爐筒體關鍵部位應力在線監測技術，并以實際監測數據為依據，打破了長期以模擬計算為主的安全評價方法，實現了基于監測數據的高溫壓力容器在線監測評估?，F場應用證明，該系統能夠實時、連續、精確地捕捉筒體關鍵部位的應力狀態及其動態變化，識別出應力水平最高、疲勞損傷累積最快的薄弱點。為設備的安全運行提供了直接、可靠的數據支撐，實現了從定期檢修到狀態檢修和預知性維護的轉變，顯著提升了設備的本質安全水平和長周期運行可靠性，降低了非計劃停車風險和安全事故概率。該技術具有廣闊的推廣價值，可應用于石化、化工、冶金等領域類似的高溫帶壓壓力容器及管道的關鍵部位狀態監測。

參考文獻

[1]張偉亞，宋曉良，邱永寧，等.焙燒爐筒體結構強度有限元分析[J].安全、健康和環境，2022，22（1）：12-16

[2] 周文昌，陳輝華.焙燒爐爐筒開裂原因分析[J].石油化工設備，2001，30（S1）：103-106.

[3]蘇立琪，楊曉麗.提高氫氧化鋁焙燒爐產量的措施[J].中國金屬通報，2023（9）：143-145.

（收稿日期：2024-05-17）

Research on the On-line Stress Monitoring Technology for the Key Parts in Oil Refinery Catalyst Pressure Roaster

MA Xiao-qiang

（TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.，Ltd.）

AbstractConsidering the long-term safe operation of the catalyst pressure roaster in a refinery enterprise， having the finite element analysis results and theactual operating conditions combined to determine the stress monitoring points was implemented to show that，selecting suitable high-temperature strain gauge and multi-function signal acquisition and transmission equipment and importing data monitored into the online monitoring software as well as developing the on-line stress monitoring technology can ensure a long term and safe operation of the roasting furnace.Field application results show that，the system proposed can capture the stress changes of key parts of the cylinder at real time and provide reliable data support forthe safe operation and predictive maintenance of the equipment.

Key Words roaster，cylinder， stress，on-line monitoring，fatigue