Конечно-элементные расчеты пространственного теплового и термонапряженного состояния установки каталитического крекинга для различных режимов работы реактора и регенератора. Выбор толщин элементов конструкций, оценка статической и циклической прочности. Подготовка технической документации (2007 г.)

Лабораторией «Вычислительная механика» в 2006-2007 г. по заказу ЗАО «НЕФТЕХИМПРОЕКТ» выполнены многовариантные расчеты пространственного теплового и термонапряженного состояния установки каталитического крекинга.

Установка каталитического крекинга является одной из важнейших составных частей комплекса оборудования нефтеперерабатывающей промышленности, участвующей в технологическом процессе расщепления нефтяных фракций в базовые компоненты высококачественных авиационных и автомобильных бензинов.

Общий вид установки каталитического крекинга

Установка представляет собой совокупность двух основных элементов: реактора и регенератора соединенных между собой катализаторопроводами.

Основными элементами, входящие в состав установки каталитического крекинга являются цилиндрические обечайки, конические элементы, днища и крышки сосудов и аппаратов, выполненные из сталей, а также трубопроводы (катализаторопроводы), штуцера, компенсаторы, заглушки и другие устройства, работающие при высоких температурах и больших давлениях.

Для восприятия перемещений, обусловленных действием температуры, на катализаторопроводы устанавливаются линзовые компенсаторы универсального типа.

Линзовый компенсатор с пантографом

В процессе эксплуатации установка испытывает как механические нагружения (ветровая нагрузка, внутреннее давление, собственный вес и вес внутренних элементов), так и температурные напряжения, вызванные технологическим процессом.

В рамках проведенной работы в лаборатории разработаны и исследованы пространственные геометрическая, конечно-элементная (КЭ) и математическая модели установки, учитывающие все основные элементы конструкции, включающие: реактор, регенератор, камеру смещения, камеру снижения давления, катализаторопроводы, компенсаторы, опоры постоянного усилия, направляющие опоры, шиберные заслонки и внутренние устройства.

Для корректного моделирования работы компенсаторов была разработана принципиально новая численная модель шарнирной системы с заданными жесткостными характеристиками, позволяющая учитывать возможные относительные смещения и повороты участков катализаторопроводов в заданных направлениях, возникающих в процессе эксплуатации установки.  

Для исследования пространственного 3D термонапряженно-деформированного состояния конструкции использовалась КЭ оболочечная модель с двухслойной структурой: внешняя – сталь и внутренняя – футеровка (бетон), вес внутреннего оборудования моделировался при помощи точечных масс, размещенных с учетом габаритов и областей опирания или подвеса оборудования.

Расчетная модель установки с указанием основных видов нагружения

На основе разработанных КЭ моделей:

Выполнен анализ 3-D термонапряженного состояния элементов установки для различных режимов работы, и определены допустимые толщины, удовлетворяющие критериям прочности в соответствии с ГОСТ и атомными нормами.

 

Обтекание установки каталитического крекинга под действием ветра	Распределение модуля вектора перемещений в расчетном режиме

 

Определены усилия и моменты, действующие в областях:

• направляющих опор, крепления штуцеров катализаторопроводов к корпусам камеры снижения давления, реактора, регенератора;
• соединения шиберных заслонок с катализаторопроводами;

Определены конструктивные и технологические параметры, позволившие снизить уровень напряжений, возникающих в наиболее опасных с точки зрения прочности элементах конструкции:

• Жесткости компенсаторов, обеспечивающих снижение усилий, действующих на штуцера при выполнении контроля за допустимыми относительными перемещения компенсаторов; допустимыми усилиями в направляющих опорах;
• Усилия, действующие в пружинных опорах;
• Технологические зазоры в направляющих опорах, при выполнении контроля за допускаемыми усилиями на опоры.

 

Расположение опор постоянного усилия и параметры варьирования

 

С помощью метода многоуровневого субмоделирования определены толщины укрепляющих элементов штуцеров с учетом сварных швов, подобраны геометрические размеры элементов опор постоянного усилия, уточнено термонапряженное состояние верхней части реактора, с учетом сварного шва в области крепления пленума к корпусу.

Модели для метода многоуровневого субмоделирования

Выполнен анализ циклической прочности верхней части реактора (А04) для последовательности эксплуатационных режимов работы пуск - рабочий режим-останов.

Область анализа циклической прочности (субмодель 2-го уровня)

Результаты анализа для рабочего режима

По результатам выполненных расчетов подготовлена техническая документация, необходимая для производства различных модификаций установки каталитического крекинга.