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1、- F i b e r T e c h ri o lo c i 丫纤 维 技 术 聚丙筛装置环管反应器 框架的结构设计 摘要: 在环管法聚丙烯装置中, 环管反应器 是整个聚丙烯装置的核心,其框架同 时具有设备及结构两方面的性能,其设计也不同于一般结构的设计, 应包 括设备 及结构两个专业的设计。文章主要根据聚丙烯装置环管反应器的特点,重点介绍 了 环管反应器框架、风载的确定及计算、荷载的确定及组合、结构设计计算方法 等事项。 关键词: 环管反应器; 风荷载;组合框架;结构设计 中图分类号: T Q 3 4 0 .6 3文献标识码: B 文章编号:1 0 0 3 一3 0 2 5 ( 2 0 0
2、 5 ) 1 1 一0 0 7 2 一0 3 中国石化工程建设公司黄钟喜 1 聚丙烯装置环管反应器的特点 在石油化工聚丙烯装置中, 我国从2 0 世纪8 0 年代开 始由国外引进环管法聚丙烯装置。 对环管法聚丙烯技术经 过多年的消化和吸收 参考国外工程公司与环管反应器有 关的资料, 从9 0 年代中期开始自主开发7 万t / a 第一代环 管法聚丙烯技术并应用于湖南岳阳长岭炼化总厂、 武汉 石化公司、 江西九江石化公司、 福建炼化公司、 大连石化 公司、 济南炼化总厂等, 并且对工程进行总承包其产品 质量、 牌号均满足市场需要实际生产能力达到或超过设 计能力. 更重要的是达到同期同类装置的国际
3、先进水平。 随后又开发 1 0 万t/ a 第一代环管法聚丙烯技术,并应用于 大庆石化公司、 延安炼化总厂等。 在国产化第一代环管法 聚丙烯技术成功的基础上, 2 0 0 0 年开始着手开发2 0 万t / a 第二代环管法聚丙烯技术 应用于上海金山石化公司、 镇 海炼化公司、 茂名石化等并且对工程进行总承包其装 置能力达到世界级规模, 国产化环管法聚丙烯技术达到了 国际先进水平。 在环管法聚丙烯装置中 环管反应器是整个聚丙烯装 作者简介: 黄钟喜,男,1 9 6 3 年生, 高 工, 北 京, 1 0 0 1 0 1 注:聚丙烯装置环管反应器的研制于2 0 0 1 年, 获中国石化集团公 司
4、科学技术进步二等奖。 置的核心它是由内外两根钢管构成内钢管之间通过夹 外套连成整体; 并且通过泵的压力将丙烯液体压入环管反 应器的内管循环产生均聚物 内外管之间的夹套水起撤热 作用夹套内的循环水具有传热效率高、 温度易控制等优 点。 7 万t/ a 环管法聚丙烯装置环管反应器采用1 组6 条环 管, 直段长2 6 m环管反应器内管为叻 6 0 9 .6 x 1 4 外管 为功 7 1 0 x 1 0 . 1 0 万t/ a 环管法 聚丙 烯装置环管 反应 器采用 1 组6 条环管 直段长4 0 m,环管反应器内管为价 6 0 9 . 6 x 1 4 , 外管为功 7 1 0 x 1 2 ; 2
5、 0 万t/ 年环管法聚丙烯装置环管 反应器采用2 组8 条环管, 直段长3 9 m.环管反应器内管 为功 6 0 9 .6 x 1 4 , 外管为叻 7 1 0 x 1 4 0 2 聚丙烯装置环管反应器框架的特点 环管反应器不仅具有工艺反应的设备功能 而且还要 支承多层平台及一些设备的承重结构功能。 环管反应器间 隔一定高度用H型钢梁连接成整体结构 环管反应器外管 通过夹套与H型钢梁形成刚性连接。 环管反应器直段底部 支承在距地面6 m高的钢筋混凝土框架平台上因此环管 反应器、 H型钢梁 ( 钢平台) 、 钢筋混凝土框架平台组成一 个特殊的开敝式的组合框架结构。 环管反应器框架同时具 有设备
6、及结构两方面的性能, 其设计也不同于一般结构的 设计应包括设备及结构两个专业的设计 本文只介绍结 构方面的设计。 了 2 纺织导报 C h in a T e x t ile L e a d e r 2 0 0 5 N o . 1 1 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纤维技术F i b e r T e c h n o lo a v 3 聚丙烯装置环管反应器框架设计的原则及计算 分析 3 . 1 聚丙烯装置环管反应器框架设计的原则 聚丙烯装置环管反应器组合框架结
7、构的特性 环管反 应器组合框架承受恒载 ( 环管反应器自重、 操作平台自重、 设备自重、反应器内的物料及夹套水等) 、活载 ( 操作平 台) 、 检修荷载 ! 操作平台) 、充水试压荷载 ( 反应器内的 试压水) 、 风载、 地震作用等. 荷载组合工况有正常操作、 安装、 充水试压、 检修、 正常操作加风载、 自重加风载、 正 常操作加地震作用等。 环管反应器组合框架既不同于建筑 物结构. 也不同于一般的构筑物结构属于特殊的结构型 式。上海金山石化公司2 0 万t / a 第2 代环管法聚丙烯环管 反应器组合框架布置图 ( 图1 ) 及环管反应器框架平台布 置图 ( 图2 ) 0 图1 环管反
8、应器组合框架布置图 图 2 一 灯 i- - - -一 飞 芽 一 环管反应器框架平台布置图 环管反应器组合框架的计算分析是设计的核心 选择 安全可靠的计算软件、 合理简单的计算模型及计算方法则 又是计算分析的关键。 国内民用建筑常用的多高层建筑结 构三维计算分析软件T A T 一般不能满足环管反应器组合框 架的复杂荷载工况要求, 采用美国通用结构计算分析软件 S T A A D / P R O 利用其荷载及荷载组合工况任意定义、 杆件 任意截面等特点, 软件S T A A D / P R O能满足环管反应器组 合框架的复杂荷载工况要求。 3 . 2 环管反应器组合框架的计算模型假定 在结构计
9、算分析时, 计算模型的假定与实际的情况存 在一定的差别 而计算数值也是通过一系列的简化后才得 到的与实际情况并不是完全相符; 其次结构 ( 构件) 实 际所承受的荷载在设计计算时考虑并不准确、 全面另外 还受材料本身、 施工质量等不利因素的影响; 加上结构计 算模型又直接决定计算分析的工作量。 在计算设计时 为保证结构的安全可靠使用 首先搞 清结构的受荷特点、 传力路径、 连接的特性等同时重视 计算模型的假定和简化工作。 环管反应器主要是由设备专 业设计确定, 其安全系数比结构专业设计高得多 故环管 反应器不需用复杂的板 ( 壳) 单元, 简化为杆单元即可; 支承环管反应器的钢筋混凝土框架平台
10、一般刚度都很大 可近似假定为刚性框架; 而环管反应器通过直径为功1 .8 5 m封闭环形的1 2 个M4 8 地脚螺栓固定在钢筋混凝土平台 上, 环管反应器与钢筋混凝土平台之间的连接近似假定固 接 通过这一系列的简化 将环管反应器组合框架分成环 管反应器与平台组成的钢结构构架和钢筋混凝土框架平台 两个独立的结构( 环管反应器与平台组成的钢结构构架计 算模型; 经与环管反应器组合框架整体计算分析比较 其 计算结果及截面差异较小误差一般在4 . 6 % - 9 . 3 % 满足工程设计的要求 但大大减少了计算分析的工作量; 经过1 0 多个聚丙烯装置多年的实际运行 实践证明效果 良好。 3 . 3
11、 环管反应器组合框架的计算分析 由于环管反应器框架结构的特性 不仅需对环管反应 器框架进行整体计算分析还需在安装工况下单根环管、 两根环管组成门式构架的计算分析。 其计算分析内容包括 荷载的确定和计算、 计算所需数据参数的输入、 计算所需 数据参数的调整、 计算结果的校核 ( 强度、 挠度、 侧移等) 等; 由于在正常操作工况下工艺要求对环管反应器水平向 侧移要求较严, 而环管的直径根据环管的内管循环产生均 聚物量来确定即由工艺专业确定结构专业主要通过环 管反应器水平梁的合理设置来满足环管反应器水平向侧移 要求。 环管反应器水平向侧移是由风荷载起控制作用 因此 风荷载的确定和计算非常重要。 由
12、于环管反应器框架是开 纺 织 导 报C h in a T e x t ile L e a d e r . 2 0 0 5 N o . 1 1 7 3 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark . F i b e 止T e c h n o l o g y 纤维技术 敝 式的 结构、 高宽比 较小、 基 本自 振周 期界为1 . 3 3 2 s ( 大 于0 .2 5 s ) , 故需考虑风振效应。 上海金山石化公司2 0 万t/ a 环管反 应器框架 当 地的 基本风压
13、叭= 0 .6 0 k N / m 2地 面 粗 糙度类别为A 类; 标准 风压 ( “) k ) 为: () k 竺Y N sN , p , co o 式中 7 重 现期 调整系 数 取y = 1 . 1 ; U , 体型系 数; 从高 度变 化系 数 几风 振系 数 ( 跳一1 + 考 v 叭 扭 2考 脉动 增 大系 数 v 脉动 影 响 系 数; (P I 振型系数) 。 环管反 应 器框架的 基本自 振周 期T , 为1 .3 3 2 s基本 风 压叭一0 .8 3 k N / m 2 , 即(0 o 不 z 一1 .4 7 3 一 脉动 增 大系 数 考 一2 .6 5 8 C O
14、 O x D 2 一0 .4 1 8 0 .0 1 5 一反 应器 外 管 为 体型 系 数 从 二 0 .7 0钢 结 构为# 5 = 1 .3 0s环 管 反 应 器 框 架 顶 标高的 高 度H = 4 5 .5 m 一 、脉动影响系数v =0 .8 5 . 环管反应器框架各层平台风压值如表t o 在环管反应器框架Z 方向 : 汽=0 .3 1 0 , B 声 =0 .0 1 2 B IZ = 0 .6 3 5 , Z 方向 构 架榻数: n = 2 : 整 体构 架Z 方向的 风压 体型系 数a . . 为: 嵘之斗 碑而 ; ( 1 一 0 .6 3 5 2 ) / ( 1 一 0
15、.6 3 5 ) =1 .6 3 机: 其详细数值不在这里细算。 其它 荷 载如 恒载 ( 环管 反应 器自 重L d 、 操作平台自 重 L d 、 设 备自 重L d 、 反 应 器内 的 物 料 及 夹 套 水L (l )等) 、 活 载 ( 操 作 平台L ) 、 检 修 荷 载 ( 操 作 平台L m ) 、 充 水 试 压荷 载 ( 反 应 器内 的 试 压 水 L 1w ,1 ) 、 地震 作 用( L E ) 等 根 据条 件 计算。 荷载组合工况有正常操作、 安装、 充水试压、 检修、 正常 操作加风载、 空重加风载、 正常操作加地震作用等荷载 工况及荷载组合如表2 0 表2
16、 荷载工况及荷载组合表 荷载效应组合 组合系数 正常操作 1. 3 5 气+ 1 .3 5 L 1 .2 L , +I .4 L I + 1 2 L 正常操作+风 1 2 L , + 1 2 6 L , +1 .2 L +0. 9 L 回 +1 . 2 6 L +1 4 / 表1 环管反应器框架各层平台风压值 .-一一一 正常操作+ 地震1 .2 L , + 0 .7 L ) +1. 2 L,) + 1 .3 L F + 0 .2 5 L w 平台高度相对高度风振系 环管 风压a sk /型 钢截面 风压 试压 门n,、伪,气 0714314655 0915243035486067808700
17、 00000000001 ( z / H ) 0 . 2 2 3 0 . 2 9 6 0 . 3 7 3 0 . 4 5 0 0 . 5 2 7 0 . 6 0 3 0 . 6 8 0 0 . 7 5 7 0 . 8 3 4 0 . 9 0 0 0. 9 5 5 振型系 高度化 数(P I 系 数从数双( k N m 2 ) c o k l ( k N_ m 2 安装或空载 1 . 3 8 7 1 . 4 7 7 1 . 5 6 3 1 . 6 3 8 1 . 6 9 7 1 . 7 5 7 1 . 8 1 2 1 . 8 5 4 1 . 8 9 6 1 . 9 3 1 1 . 9 5 8 1
18、 . 1 4 7 1 . 2 2 9 1 . 3 4 7 1 . 41 4 1 . 4 6 6 1 . 61 7 1 . 7 4 8 1 . 8 1 6 1 . 9 5 3 2 . 01 8 2 . 1 5 4 1 . 3 6 5 1 . 5 5 8 1 . 8 0 7 1 . 9 8 7 2 . 1 3 4 2 . 4 3 8 2 71 7 2 . 8 8 8 3 . 1 7 8 3 . 3 4 3 3 . 6 1 8 检修 1 .2 气 + 0 .7 L i + 1 . 1 L iw i + 0 .2 5 L w 1 2 L+ 0 刀 L .+ 1 2 L。 + 0 2 5 L w 0 .
19、9 气+ 0 .9 L , + 1 .4 L 1 .2 气+ 1 .3 L m + 1 .2 L ,+ 0 .2 5 L w m一24q4q494 灿一1013162023273034 1 . 7 1 1 1 . 9 0 0 1 .19 4 8 由于环管反应器是一个特殊的开敝式的组合框架结 构, 纵 ( X方向) 横 ( Y 方向) 多榻构架组成在风载计算 时须考虑风载的 屏蔽效应。 单榻构架的 风 压体型系 数线 为: 从 斤如., 式中 # 、 构件的 体型系 数 价 二 ( E A C ) / A 构 架的 挡风系 数; A 构架各 构件的 挡风 投影面 积 A 构架的轮廓面积。 平行多
20、 棍整 体构架的 风压 体型系 数P .为: P s tw P st X ( 1 一77 1 ) /( 1 一r 1 ) 1 7 值是根据0 , B / H 来确定。 在环管反应器框架X 方向: 叭-0 .4 5 4 , 凡 1 H = 0 . 3 2 3 , 7 7 x = 0 .4 0 8 , X 方向 构架榻数: n=4 ;整体构架 拜 。 w 二 =从lx X 方向 的 风 压 体型系 数k . ,二 ( 1 一0 .4 0 8 4 )/( 1 一0 . 4 0 8 ) 1 .6 4 2 y _ 采用S T A A D / P R O进行计算 根据相应的规范标准对 其计算结果校核验算
21、并且将环管反应器与平台连接的节 点计算结果 ( 拉 ( 压)力: N 剪力: V ;弯矩: M)提给 设备专业. 由设备专业对环管反应器进行强度、 刚度等验 算, 最终确定环管反应器外管的直径及厚度。 4结语 在已建成投产的十多套国产化环管法聚丙烯装置, 无 论其产品质量、 牌号均满足市场需要, 实际生产能力均达 到或超过设计能力 而且取得了良好的经济效益和社会效 益;如岳阳长岭炼化总厂、 武汉石化公司、 江西九江石化 公司从生产能力7 万t/ a 聚丙烯装置扩建到1 0 万t / a 聚丙烯 装置。 随着我国国民经济的高速发展、 世界聚丙烯工业的勃 勃生机和飞速发展, 特别是国产化聚丙烯技术及其国际先 进水平极大地推动了国内聚丙烯工业的迅速发展 即将在 茂名石化公司、浙江绍兴、海南等建设2 0 万t/ a 环管法聚 丙烯装置因此在目前第2 代环管法聚丙烯技术成功的基 础上 继续优化及开发环管反应器及其框架的设计节省 工程建设费用、提高经济效益有着广阔的前景。 C T L 74纺织导报 Ch i n a T e x t il e L e a d e r 2 0 0 5 N o . 1 1 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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