某石化企業(yè)裂解爐切換大閥在使用約半年后出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，隨后又有兩臺相同型號的閥門也相繼出現(xiàn)了開關不暢的現(xiàn)象。本文針對這種異常情況進行了分析，將通過管線應力計算得到的載荷施加到閥門上進行有限元計算，結果顯示在此管口載荷作用下，閥門會出現(xiàn)輕微的變形;并且相應提出了一些建議。

1、前言

　　某石化企業(yè)裂解爐切換大閥在使用半年后出現(xiàn)較為嚴重的開關不暢現(xiàn)象，即使增大扭矩仍然無法開關，在使用人工開關的過程中甚至發(fā)生過電動頭壓蓋斷裂的現(xiàn)象，隨后又有兩臺類似的閥門也相繼出現(xiàn)了同樣的問題。根據(jù)現(xiàn)場人員介紹，切換大閥在管系處于冷態(tài)時的開關較為順利。但是在管線正常運行處于熱態(tài)的時候，大閥的開關仍然較為困難，開(或關)一次的時間最長超過24h，而大閥正常開(或關)一次需要的時間僅為約3min。雖然采取了一些措施，但收效甚微，大閥開關仍然困難，是整個裝置安全運行的隱患。

　　本文針對閥門開關困難的這一異�，F(xiàn)象，對裂解爐切換大閥及相關管線進行應力分析，結合有限元計算結果，提出一些建設性的改進措施。

2、管線和閥門參數(shù)

　　與閥門相關管線的基本參數(shù)見表1。裂解爐切換大閥的參數(shù)見表2。

表2 閥門計算參數(shù)

3、有限元模型建立及計算結果

　　分析閥門處于開啟狀態(tài)時，閥門及其相關管線的受力情況。將通過管系應力計算提取的管口載荷加載到閥門上，對閥門進行分析，從而得到在熱態(tài)管系應力作用下，裂解爐切換閥門的變形及應力分布情況。

　　3.1、管線模型的建立及計算結果

　　本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS6.8對管線進行前后處理與分析計算。管線模型采用PIPE32單元，共有6276個單元，18836個節(jié)點。模型如圖1所示。該管線約束分為可變彈簧、恒力彈簧、固定支架和導向架4種類型。

圖1 管線的有限元模型

　　由于大閥上共有48d和10d兩個閥門通過螺栓剛性連接。因此在計算管線時，需要通過合理方式模擬此剛性連接。

　　應力計算結果顯示在裂解爐切換大閥上的10”小閥進口端管線的應力較大，最大值達到了100MPa以上，而小閥出口端管線的應力比較小。管口載荷方各如圖2所示，從管系應力分析中提取出來的與閥門相連的管口載荷如表3所示。

圖2 閥門管口載荷方向

　　3.2、閥門模型的建立及計算結果

　　裂解爐切換大閥連接如圖3所示。

圖3 裂解爐切換大閥示意

圖4 閥門的有限元模型

　　采用大型有限元軟件ANSYS對閥門進行前后處理與分析計算，將上述管系應力分析中得到的閥門管口載荷加載到閥門上。圖4為閥門的有限元模型，圖5為閥門模型的網(wǎng)格劃分。

圖5 閥門的網(wǎng)格劃分

　　閥門的應力計算結果見圖6，從圖中我們可以看出閥門最大應力為253MPa，位于大小閥相連處的肋板上。閥門變形的計算結果見圖7，從圖中可以看出，大閥的變形量很小，在管系力和彎矩的作用下，小閥門相對于大閥門有一個扭轉(zhuǎn)。通過有限元分析可以計算出小閥門相對于大閥門的最大位移量達到了3~4mm。

圖6 閥門的當量應力分布圖

圖7 閥門的變形量分布情況(變形放大50倍)

3、分析與結論

　　通過有限元計算，發(fā)現(xiàn)與裂解氣切換閥上的小閥進口端管線應力很大，雖然其應力水平在管線相關標準允許的范圍內(nèi)，不至于使得管線產(chǎn)生破壞。然而高的管線應力卻造成了與之相連閥門的輕微變形，這種輕微的變形成為了導致閥門開關不暢原因之一。

　　因此改進中建議增加小管線的柔度，以便有效地減小進口端小管線在熱態(tài)下的應力水平。

4、建議

　　裂解氣大閥開關不暢是乙烯裝置長周期運行的安全隱患，中國石化不少乙烯裝置都采用了Z&J公司生產(chǎn)的平行雙閘板閥，從使用情況來看，不少乙烯裝置(如茂名、齊魯、揚子、燕山)都存在大閥開關不暢的情況。據(jù)了解，國外乙烯裝置裂解氣大閥也存在開關困難問題的類似問題。裂解氣大閥的使用情況與安裝和維護是密切相關的，對于Z&J閥，本身體型龐大(一個裂解氣大閥的重量達幾噸，甚至十噸以上)，結構也不盡相同，加之與其相連的裂解氣管道直徑多在1m以上，且操作溫度較高，因此裂解氣大閥的安裝要求無應力，且要考慮到裂解氣大閥及與其相關管線的熱應力情況。目前這一現(xiàn)象仍未得到有效解決，有必要就該問題進行進一步的調(diào)查和研究，找出根本原因，降低乙烯裝置長周期運行的風險。