• Тел.: +7 (4752) 42-71-94
  • E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Литературный обзор современного состояния вопроса

Змеевик является наиболее ответственной частью трубчатой печи. Его собирают из дорогостоящих горячекатаных бесшовных печных труб и калачей или печных двойников (ретурбентов). Радиантный змеевик больше всего подвергается негативным воздействиям и износу, поэтому важно модернизировать его для увеличения срока службы змеевика и печи в целом.

  1.  
    1. Обзор технической литературы.

Автор книги «Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности» Ентус Н. Р. считает, что для установок АВТ, где температура нагрева сырья сравнительно невысока и тепловой режим эксплуатации печей стабильный, следует применять печные трубы из сталей марок Сталь 10, Сталь 20, либо из низколегированных сталей марок 15Х5М и 15Х5ВФ. Такой змеевик будет обладать достаточной теплоустойчивостью и не будет подвергаться интенсивной коррозии. Если использовать трубы из стали 1Х12В2МФ вместо труб из стали 15Х5М, то это позволит увеличить срок службы змеевиков и сократить при ремонтах простой печи.

Еще в качестве материала для труб перспективна сталь Х9М (хрома 9%, молибдена до 1%). Такое соотношение двух металлов обеспечит высокую жаропрочность, которая выше на 20-25% чем стали 15Х5М. Алитирование хромистых сталей позволит расширить область применения при повышенных температурах в агрессивных средах, содержащих сероводород. Основную сварку змеевиков проводить до алитирования.

Присадка кремния в аустенитные стали повысит их сопротивление окислению при высоких температурах до 11500С и коррозии в атмосфере продуктов сгорания топлива с высоким содержанием сернистых соединений и серы.

Оребренные трубы наиболее целесообразно размещать в конвективной камере. Это позволит увеличить теплопередачу.

Для предотвращения образования в змеевике печи горящих трещин, следует применять следующие способы:

  • повышать чистоту и улучшать качество свариваемого металла труб;

  • использовать сварочную проволоку повышенной чистоты и электродные покрытия, которые содержат строго ограниченное содержание кремния, фосфора и других нежелательных примесей;

  • соблюдать установленные режимы сварки и технологические приемы для уменьшения концентрации напряжений, возникающих в сварных соединениях [7].

Авторы книги «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии» Скобло А. И., Молоканов Ю. К. и другие повествуют о том, что повышение скорости течения сырья в змеевике приведет к положительным изменениям, таким как:

  • увеличение коэффициента теплоотдачи от стенок труб к нагреваемому сырью, что будет способствовать снижению температуры стенок;

  • уменьшение вероятности отложения кокса в трубах;

  • уменьшение отложений на внутренней поверхности змеевика загрязнений из взвешенных механических частиц, содержащихся в сырье;

  • возможность уменьшения диаметра трубы;

  • возможность обеспечить высокую производительность печи, уменьшить число параллельных потоков.

Но рост скорости течения приводит к повышению гидравлического сопротивления потоку сырья. Из этого следует возрастание затрат энергии на привод сырьевого насоса и потеря напора.

Еще авторы книги говорят о различном протекании тепловых процессов для одно и двух рядных экранов. Трубы в двухрядном змеевике, которые расположены дальше от источника тепла менее освещены и получают меньше тепла по сравнению с ближними трубами. Энергия, которая идет от свода печи, частично поглощается и ближними, и дальними трубами. Это противоположное излучение свода частично выравнивает тепловую нагрузку труб, тем не менее неравномерность поглощения тепла разными участками экранов сохраняется. При уменьшении расстояния между трубами, меньше прогреется дальний экран и упадет роль обратного излучения от стенки печи.

Больше тепла поглощает двухрядный змеевик. При этом поверхность труб возрастает в 2 раза.

При одностороннем облучении размещение двухрядных змеевиков нецелесообразно по причине высокой цены на трубы в общей стоимости печи [21].

Владимиров А.Н., Щелкунов В. А., Круглов С. А., авторы книги «Основные процессы и аппараты нефтегазопереработки» пишут о том, что значимый показатель, которым можно охарактеризовать эффективность использования трубчатого змеевика – это теплонапряженность поверхности нагрева. Это величина связана со способом сжигания топлива, с равномерностью теплового потока по окружности и длине трубы, с назначением печи. Для установки вакуумной перегонки мазута средняя теплонапряженность радиантного змеевика составляет ≈20-40 кВт/м2 [3].

  1.  
    1. Обзор научных публикаций

Кулешов О. Ю., автор статьи «Расчетный анализ локальной теплонапряженности экранных труб в реакционных трубчатых печах» пишет о том, что радиантные трубы в печи пиролиза подвергаются воздействию высоких температур, работают на пределе жаростойкости металла. Температура стенки змеевика может достигать 10000С. Поэтому важно обеспечивать равномерность теплонапряженности по всей длине трубы и окружности. Первый способ добиться этого – расположить горелки стенках топки многорядно. Второй – обеспечить двухстороннее облучение одно и двух рядной компоновкой трубных экранов. Зональный метод один из самых эффективных методов расчета теплообмена в печах.

Результатом полученных расчетов стали выводы о том, что печи, в которых расположен двухрядный змеевик, более «сжаты», длина труб сокращается на 20-30% по сравнению с однорядным экраном. Однако при этом уменьшается равномерность облучения змеевика. Сталь быть эффективнее размещать трубы с большим шагом, равным 3d, когда как при однорядном расположении шаг обычно 2d [10].

Авторами статьи «Алгоритм оптимизации конструкции змеевиков трубчатых печей при совместном решении задач гидродинамики двухфазного потока и прочности» рассматривается способ модернизации змеевика в увеличении диаметра трубы на конечном участке радиантного змеевика.

В печах, где сырье нагревается до состояния с высоким процентом парообразования, следует нарастание и изменение расхода продукта по длине трубы. Это приводит к увеличению скорости парожидкостной смеси, из чего следует возрастание гидравлического сопротивления. Следствием этих явлений служит рост перепада давлений между входом и выходом, т. е. давление на входе в змеевик повышается.

Если увеличить площадь сечения трубы на участке испарения, то можно добиться понижения скорости потока. Этого можно достигнуть, установив конический переход между трубами разного диаметра. Скорость потока на увеличенном участке змеевике должна быть минимально допустимой, чтобы не происходило возрастание скорости отложения кокса на стенках труб. Кроме того, следует обеспечивать плавный подъем температуры проходящего через змеевик продукта до заданных конечных значений давления и температуры.

Для установки конического перехода не потребуется значительных затрат, но появляется дополнительный сварной шов, что увеличивает вероятность износа. Зато переход к большему диаметру трубы позволит приобрести надлежащие скорости движения продукта и на участке нагрева, на участке испарения при разрешенной потере напора в змеевике.

В итоге проведенного анализа, авторы статьи пришли к выводу о том, что наилучшая точка установки конического перехода должна располагаться на расстоянии 0,1∙Lобщ от конца змеевика [8].

Хисаева З. Ф., Кузеев И. Р., авторы статьи «Модифицирование поверхности змеевиков трубчатых печей для защиты от науглероживания и косообразования» повествуют о том, что коксоотложения и науглероживание – негативные последствия, отрицательно сказывающееся на эксплуатации и надежности печи. Кокс, загрязняя трубы, снижает теплопередачу, уменьшает выход продукта, а также снижает длительность пробега. Науглероживание, в свою очередь, ослабляет пластичность металла и трубы становятся более подвержены разрушению из-за напряжений или под действием изгиба.

Решением проблемы может служить применение термодиффузионного покрытия на основе кремния для уменьшения образования науглероживания и кокса. Такой способ нанесения покрытия называется силицирование.

Благодаря силицированию, по мимо выше указанного, можно еще повысить коррозионную стойкость и жароустойчивость материала трубы.

Силицирование окажет воздействие на агдезионное взаимодействие поверхности стали с нефтяным углеродом, снизится агдезионная прочность материала трубы [24].

  1.  
    1. Обзор научно-исследовательских работ

Канадцев М. Н. в своей кандидатской диссертации «Оптимизация конструкций змеевиков трубчатых печей» провел изучение конструкций змеевиков в трубчатых печах и определил особенности гидродинамики двухфазного потока; изучил напряженно-деформированное состояние змеевика в среде нагрева и испарения продукта; проанализировал гидродинамические параметры потока сырья в процессе нагрева и испарения; исследовал напряженно-деформированное стояние змеевика и его элементов в условиях нагрева и испарения продукта.

Одним из путей решения этих вопросов явился подход, основанный на модернизации конструкций змеевика по конструктивно - технологическим параметрам посредством их изменения с целью обеспечения необходимых рабочих характеристик. Такой подход позволил найти лучшие конструктивные предложения для узлов и элементов змеевикового экрана.

В итоге, автор создал методику оптимизации конструкции змеевика, опираясь на оценку гидродинамических параметров двухфазного потока сырья и напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов и узлов змеевика. Модернизация змеевика состоит в увеличении диаметра трубы на участке испарения продукта для снижения скорости потока и уменьшения перепада давления на входе и выходе змеевика. Это достигается путем установки конического перехода между трубами разного диаметра. Расположение точки начала испарения сырья обуславливается местом изменения диаметра змеевика (координата установки конического перехода): при смещении координаты установки конического перехода в направлении входа сырья в змеевик координата точки начала испарения продукта соответственно смещается в этом направлении. Причем, скорость продукта на выходе из змеевика снижается при смещении координаты установки конического перехода в сторону входа сырья [9].

Образцова Е. И., автор кандидатской диссертации на тему «Оптимальное конструирование змеевика трубчатой печи при промежуточном отборе паровой фазы» предлагает для роста производительности трубчатой печи осуществлять отбор паровой фазы нагреваемого сырья в расчетной точке змеевика и соединять отобранный пар с основным потоком на выходе из печи. Такой отбор позволит уменьшить давление на входе в печь, т. к. снизятся линейные скорости сырья и возрастет эквивалентное сечение трубы. В целях предотвращения разложения сырья необходимую скорость можно восстановить путем дополнительного ввода сырья в змеевик, доведя давление на выходе из сырьевого насоса до значения в существующем варианте.

В своей работе автор дала оценку существующим конструкциям трубчатых печей и обосновала объект исследования; провела анализ наиболее часто возникающих дефектов змеевиков; осуществила исследование методов теплового расчета в трубах печи; установила наиболее приемлемую точку отбора паровой фазы; определила приемлемую конструкцию змеевика.

Выводы по полученным исследованиям оказались следующими:

  • наиболее часто выходят из строя одни и те же трубы на тех участках, где наиболее вероятно отложение кокса и в зоне начала участка испарения;

  • наивысшая эффективность промежуточного отбора паровой фазы расположена на расстоянии 0,9L от общей длины змеевика. Поэтому отбор пара следует производить именно в этом месте;

  • степень стеснения деформаций змеевика в положении вертикальной оси трубы не должна превышать 10 мм [11].

Глава 2. Патентный поиск

2.1 Анализ патентной документации

Авторы найденных изобретений по выбранной мной тематике в основном предлагают модернизацию (или новую конструкцию) печи в целом, а не улучшение и более детальное углубление в отдельный элемент печи.

Авторы патента №2202591 предлагают выполнять змеевик радиантной части печи трехрядным. При таком техническом решении средний экран не будет достаточно прогреваться, а два других будут прогреваться только с одной стороны, что приведет к неравномерности нагрева сырья. Это существенно скажется на последующих этапах переработки вышедшего из печи продукта.

Авторы патента №67692 для роста интенсивности теплообмена между поверхностью змеевика и продуктами горения топлива рекомендуют разделить радиантный экран на пристенный и внутренний змеевик, причем внутренние трубы выполнены в виде цилиндров с открытыми торцами диаметром меньшим, чем диаметр пристенного змеевика концентрично с ним так, что одной стороной он прилегает к трубам на торцевой стене, а другая сторона формирует со смежной торцевой стеной зазор. В дополнение во внутреннем змеевике присутствует закручивающий продукты горения элемент, который выполнен в виде шнека.

Но данное изобретение имеет существенные недостатки: сложность изготовления такой конструкции увеличивается в разы, из чего следуют значительные экономические затраты.

Авторы патента №2382973 предлагает соединять трубы экрана с помощью нового, расположенного по высоте экрана, устройства, в котором закреплены диски, образующие отсеки для попарно расположенных труб. Но это изобретение - трудоемкая и технически сложная конструкция, которая и на этапе изготовления, и на этапе эксплуатации, по мимо прочего, будет требовать повышенного контроля качества.

Авторы патента №2318861 предлагают для радиантных змеевиков, выполненных из вертикальных труб, изменить прямые концевые участки на винтообразные, что будет препятствовать образованию жидкостной пробки при движении потока снизу-вверх. Тем не менее такие трубы сложны в изготовлении, требуют больших экономических затрат и подходят только для змеевиков с вертикально расположенными трубами.

Авторы патента №2402593 для снижения закоксовывания предлагают изготовить радиантный змеевик спиральным из спаренных труб, причем трубы у разных стенок печи должны располагаться под различным углом. Такое исполнение будет требовать сверх повышенной точности проектирования и установки, и как же спиральная труба сложна в изготовление. И это в целом существенно увеличит стоимости печи.

Авторы патента №2483096 модернизацию змеевика видят в необходимости различия диаметра нисходящей и восходящей трубы в вертикальном змеевике. Диаметр нисходящей трубы в 1,15-1,3 раза больше аналогичного показателя восходящей трубы. Данная разница диаметров нисходящих и восходящих вертикальных труб допустит возможность интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, уменьшить вероятность закоксовывания змеевика и повысить межремонтный пробег печи. Но при всем этом, вдвое увеличится количество сварных швов на змеевике, что приведет к увеличению вероятности разрушения и росту затрат на контроль и ремонт сварных швов змеевика.

Авторы патента №2409610 для интенсификации теплообмена поверхностей нагрева, исключения прогара нижней части труб змеевиков и преждевременного их выхода из строя предлагают каждую трубу печи «одеть» в трубу-оболочку, заполнив зазор между трубой и оболочкой микропористым теплопередающим порошком. Такое изменение, по мимо улучшений, во-первых, ведет за собой существенное увеличение расходов на производство змеевика, ведь достаточно сложно конструктивно выполнить такую конструкцию на криволинейном участке. Во-вторых, изоляция «выключит» защищенный участок из нагрева продукта, во всяком случае существенно уменьшит подвод тепла к продукту – а это основная функция змеевика. В-третьих, внешний слой трубы, фактически кожух, будет испытывать, при малом отводе тепла по внутренней поверхности, значительный перегрев и интенсивно разрушаться, что вызовет необходимость ремонта. В условиях непрерывного цикла работы печи это является крайне нежелательным.

2.2 Патентная документация

Патентная документация - это совокупность первичных и вторичных документов, составляемых в соответствии с патентным законодательством и устанавливающих официальное признание наличия изобретений, промышленных образцов и полезных моделей. Патентный документ подлежит юридической охране государства, подтверждается выводами государственной экспертизы и не может содержать непроверенных данных. В нем содержится информация научно-технического, юридического и экономического характера, служащая для фиксирования и защиты прав изобретателей, патентообладателей, а также для установления приоритета патентуемых и запатентованных изобретений.

К патентной документации принадлежат описания объектов интеллектуальной способности: изобретений, промышленных образцов, товарных знаков, полезных моделей. Информационными документами считаются не только описи технических решений, патентоспособность которых установлена соответствующими государственными органами, но и описания, которые заявлены в патентное ведомство и прошли одну стадий патентной процедуры и регистрацию приоритета заявки.

Патентный документ содержит информацию о результатах научно-технической деятельности, заявленных или признанных в качестве объектов промышленной собственности, и о правах владельцев на изобретения.

Глава 3. Технические решения по повышению срока службы змеевика трубчатых печей

3.1 Общие сведения

Трубчатая печь – это один из наиболее важных, ответственных и теплонапряженных видов технологического оборудования, в частности, в нефтепереработке. Она входит в состав большинства установок, таких как ЭЛОУ-АВТ, установки гидроочистки, риформинга, изомеризации, каталитического крекинга, селективной очистки и др. Существует острая необходимость поддержания работоспособности печи в условиях производства непрерывного типа, с годовым ресурсом до 320-340 дней. Эта необходимость требует искать новые методы продления срока службы металлоконструкций, испытывающих значительное тепловое и коррозионное воздействие.

Змеевик - это особенно ответственная и напряженная часть трубчатой печи. Его изготавливают из дорогостоящих горячекатаных бесшовных труб, соединенных калачами.

Печные трубы сваривают из трубных заготовок длиной до 4 м. Для контроля качества сварных швов используют флуоресцирующие красители и последующий рентген контроль.

Материал труб выбирается в зависимости от установки и назначения печи. Для установок АВТ, где температура нагрева сырья сравнительно невысока и тепловой режим эксплуатации печей стабильный, следует применять печные трубы из сталей марок Сталь 10, Сталь 20, либо из низколегированных сталей марок 15Х5М и 15Х5ВФ. Такой змеевик будет обладать достаточной теплоустойчивостью и не будет подвергаться интенсивной коррозии. Если использовать трубы из стали 1Х12В2МФ вместо труб из стали 15Х5М, то это позволит увеличить срок службы змеевиков и сократить при ремонтах простой печи.

Для установок термического и каталитического крекинга, а также установок, где протекающие процессы характеризуются более высокими температурами нагрева и наличием коррозионных агентов, необходимо применять стали других марок, например, 12Х8ВФ и Х9М. Коррозионная стойкость этих сталей в горячих сероводородных средах превосходит стали 15Х5М и 15Х5ВФ в 2-3 раза.

Для процессов риформинга и гидроочистки следует применять стали марок 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т, либо безникелевую сталь 1Х12В2МФ, которая обладает высокими прочностными свойствами, достаточной ударной вязкостью и пластичностью.

Змеевик больше всего подвергается коррозии, короблению и износу. Поэтому, целесообразно и важно повышать именно его ресурс для увеличения срока службы печи в целом.

3.2 Предлагаемый способ увеличения службы змеевика трубчатой печи

Чтобы продлить срок службы змеевика трубчатой печи, важно обеспечить дополнительную защиту калачей, соединяющих прямолинейные участки труб, ведь калач является самым чувствительным к воздействию высоких температур и склонным к закоксовыванию элементом в змеевике. Связано это, в том числе, и с гидравлическими условиями движения продукта. Продукт, проходя повороты калача, испытывает гидравлическое сопротивление, уменьшая тем самым скорость течения. Как следствие, в худшую сторону изменяются условия теплопередачи, происходит отложение кокса на внутренней поверхности, что еще уменьшает теплоотдачу к продукту. Это, в свою очередь вызывает перегрев стенки трубы и ускоряет коррозионные процессы. Даже применение легированных, достаточно дорогих сталей, кардинально эту проблему не решает.

Предлагается способ защиты в виде нанесения графитового покрытия на калач змеевика и его стыковой сварной шов. Такое решение позволит увеличить надежность, живучесть и безопасность змеевикового экрана и трубчатой печи в целом. В пользу предлагаемого решения говорит следующее.

Во-первых, графит является высокотеплопроводным материалом. В зависимости от температуры и марки, теплопроводность графита колеблется от 278,4 до 2435 Вт/(м∙К) [6]. Для сравнения, теплопроводность стали марки 15Х5М находится в диапазоне от 33 до 37 в зависимости от температуры окружающей среды [22]. Поэтому ухудшение теплообмена между нагреваемым продуктом и стенкой трубы, при нанесении графитового покрытия не следует ожидать.

Во-вторых, графит представляет собой огнеупорный и достаточно инертный материал. В радиантной камере трубчатой печи это особенно важно, потому что змеевик в некоторых случаях может контактировать на прямую с племенем горелки. И графитовое покрытие в данной ситуации сможет обеспечить надежную защиту и материала калача, и уязвимого сварного шва.

В-третьих, графит выступает антикоррозионным веществом, что делает его очень ценным материалом во многих производственных процессах. С ростом температуры на 1000С, коррозия может возрастать в несколько раз. Т. к. в печи достаточно высокие температуры, то коррозия труб, и тем более сварных швов, в таких эксплуатационных условиях более вероятна. Кроме того, топочные газы в своем большинстве содержат сернистый газ, азотистые соединения, водород, водяные пары и другие агрессивные агенты, вызывающие коррозию. Графит в данной среде служит достойным покрытием для защиты от этого нежелательного явления.

В-четвертых, графит является неплавким веществом. Он надежно выдерживает влияние высоких температур, становясь тверже от их воздействия, а сублимируется при обычном давлении лишь при 3845-38900С [5]. Это свойство графита позволяет использовать его в трубчатой печи, где температуры факела достигают 1700-1900 0С [7].

Пятое. Для радиантных камер печей существенное значение имеет степень черноты нагреваемого тела. И с этой точки зрения графитовый слой является выигрышным.

Очень важное свойство графита – это его инертность. Даже при высоких температурах он не вступает в реакцию с контактирующими материалами. Опыт применения графитовых защитных покрытий во многих отраслях промышленности служит тому подтверждением. Важнейшей частью проблемы является структура и способ нанесения (или монтажа) графитового слоя. Этот слой не должен иметь пористую структуру, что отрицательно скажется на теплопроводности. Слой должен формироваться без зазоров, что так же важно для условий передачи тепла от излучающей поверхности факела к продукту.

Все эти положительные свойства графита позволяют его использование в трубчатой печи в качестве защитного покрытия калачей змеевика и обеспечения надежности, живучести и безопасности эксплуатации труб змеевиков и печи в целом.

Заключение

Проблема термокороззионного воздействия на металлические конструкции оборудования не нова, но по-прежнему актуальна. В каждом конкретном случае ее решение должно быть индивидуальным. Одним из случаев такого воздействия является работа змеевиков промышленных трубчатых печей.

Повышение продолжительности срока службы змеевика – эта актуальная задача для нефтеперерабатывающего производства. Предложенный способ зажиты калача, наиболее уязвимого элемента змеевика, является конкурентоспособным и рентабельным.

Графит – это подходящий материал для применения его в трубчатой печи. Он обеспечивает огнеупорную защиту от негативного воздействия пламени на калачи змеевика и помогает уменьшить коррозию труб. Графит стойко выдерживает воздействие высоких температур и агрессивной среды, не вступая в реакции с продуктами горения.

Выше представленные свойства графита позволяют использовать его в трубчатой печи в качестве защитного покрытия калачей змеевика и обеспечения надежности, живучести, безопасности эксплуатации труб, а так же повышения срока службы змеевиков и трубчатой печи в целом.

Печи трубчатые

Нашли то, что искали? Позвоните! Контакты

Наши производственные мощности

university building

ООО "Квадра инжиниринг"

Когда мы начинали свое дело, конечно, пользовались услугами и готовыми решениями поставщиков в самых разных областях.

С каждым годом мы заметили, что это стало нас устраивать все меньше, поэтому начали организовывать собственное производство. День за днем, работая со специалистами, мы развили свои собственые ноу-хау, которые смогут конкурировать с лидерами рынка сегодня!

Подробнее...

Почему выбирают нас?

"Квадра" это...

...ведущая российская производственно-инжиниринговая компания, специализирующаяся в сфере реализации проектов под ключ (EPC) и производства промышленного оборудования.

"Квадра" это...

...собственная производственная и научно-исследовательская база.

"Квадра" это...

...инновационные технологические решения, которые позволяют повысить эффективность и прибыльность производства.

"Квадра" это...

...многолетний опыт проектирования, поставки, монтажа и ввода в эксплуатацию различного технологического оборудования.

Яндекс.Метрика