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石化企业制氢转化炉炉管可靠性分析

发表时间：2021/7/28 来源：《中国科技信息》2021年9月上作者：付鑫

[导读] 在计算方法上，主要通过对炉管结构在高温下环向应力计算和强度评价，以及局部管系结构的数值模拟，对失效情况与剩余寿命进行计算。而对转化炉炉管的失效率、可靠度、平均寿命、最优运行温度、最佳检查维修间隔时间等内容研究较少。

胜利油田石化总厂付鑫山东东营 257000

摘要: 在计算方法上，主要通过对炉管结构在高温下环向应力计算和强度评价，以及局部管系结构的数值模拟，对失效情况与剩余寿命进行计算。而对转化炉炉管的失效率、可靠度、平均寿命、最优运行温度、最佳检查维修间隔时间等内容研究较少。基于炉管失效数据概率模型，计算单个炉管可靠度，利用炉管系统可靠性框图，计算并绘制炉管系统可靠度曲线，并以年平均利润为目标进一步确定最优的炉内运行温度，依据Nakagawa的研究确定最佳的检查维修间隔时间，这些参数对提高炉管的长周期运行能力及全寿命服役安全管理具有指导意义.
关键词: 石化企业；制氢装置；制氢转化炉；长周期运行；全寿命服役
        制氢转化炉是石化企业制氢装置的核心设备，工作压力0。49～3。9MPa，工作温度850～1000℃，介质为原料烃、水、H2、CO、CO2、CH4等。每一个转化炉上都装有上百根充满催化剂的炉管，炉管是转化炉的核心部件，是催化作用下化学反应的场所，同时炉管也是转化炉中承受温度较高的部位。甲烷和蒸汽在高温下经过这些炉管就可以产生氢气。炉管通常由离心铸造的合金钢(铬、镍、碳)焊接而成。炉管的价格昂贵，占了制氢转化炉总费用较大的比例。目前，对于转化炉管发生的高温可靠性分析及寿命预测，主要从微观材料实验、理论计算与数值模拟三个方面开展了不同程度的研究。在制氢转化炉管材料的试验方面，主要集中在不同服役阶段的材料组织演变、或者某一服役阶段的材料组织性能分析等方面，提出炉管工作中应注意的操作事项和温度限制范围。利用MINNITAB软件进行制氢转化炉炉管寿命试验数据的统计分析，根据炉管失效数据分布概要图初步判定失效数据服从指数分布函数，进一步采用Bartlett值验证炉管失效数据也服从指数分布。以此分布函数为基础进行可靠性分析，计算出炉管失效率、可靠度、平均寿命、剩余寿命等参数。通过比较不同炉内温度运行时的年平均利润，确定最优的炉内运行温度是946。1摄氏度，可以实现企业年平均利润最大化。根据Nakagawa的研究确定对炉管最佳的检查维修间隔时间是178小时，可以实现炉管总预计检查维修费用最小化。
        1可靠性分析基础知识
        可靠性是产品在规定的时间内和规定的条件下，完成规定功能的能力，而这种能力的表示通常归结于一个概率值，一般记为Ｒ(t)，这里t就是规定时间。在现实情况下，产品在规定的条件和时间内失效常常符合某一种分布函数。加速寿命试验可以用来快速获得产品的寿命分布、失效率和可靠性的信息。在可靠性理论中，研究对象的“故障分布”有:正态分布、指数分布、最小极值分布、威布尔分布等。
        2炉管可靠性分析
        2.1拟合炉管失效数据分布
        某炼化厂共有5个制氢车间，制氢装置的炉管设计温度是932.2℃，最高允许温度987.8℃，设计寿命是100000小时。一炉管生产商对25根炉管做了工作压力3.9MPa，1001.7℃下的加速寿命试验，失效数据记录如表1所列。

在可靠性工程中，产品的可靠性试验、现场使用和维修记录的数据是可靠性分析的基础，若数据能拟合成某一概率分布，则这个分布就能够运用于产品设计、制造和可靠性评运用MINITAB数据统计分析软件采用极大似然估计法对炉管失效数据进行概率分布拟合，在该软件中备选分布模型有威布尔分布、正态分布、指数分布等。图1～图3是炉管失效数据概率分布拟合结果。根据图1可以看出炉管失效数据拟合威布尔分布的概率密度函数、生存函数、故障函数以及形状参数、尺度参数、ANDEＲSON-DAＲLING拟合优度检验值等参数值。其中AD检验值为1.008。根据图2可以看出炉管失效数据拟合最小极值分布的概率密度函数、生存函数、故障函数以及位置参数、尺度参数、ANDEＲSON-DAＲLING拟合优度检验值等参数。其中AD检验值为2.247。

        2.2炉管可靠性分析
        每组炉管由15根炉管组成，整个制氢装置转化炉有10组炉管组成。根据过去8年炉管运行失效数据分析表明，在932.2℃的设计温度上再超过3.9℃，炉管就会减少一半的剩余寿命。根据炉管系统组成及工作原理，建立炉管系统可靠性框图。
        2.3炉管最优运行温度和最佳检修周期确定
        制氢转化炉制氢效率与炉内温度成正比，要提高制氢效率，就需要提高炉内温度，温度提高就会导致炉管剩余寿命缩短。炉内温度约增加3。9℃，油的产量就会增加10%，每年的净利润是20000万美元，而更换所有炉管的成本是1500万美元，且需要一年时间。
        3结论
        本文通过拟合制氢转化炉炉管失效数据概率分布函数，并基于此进行可靠性分析，得出如下结论。1)制氢转化炉炉管失效时间服从指数分布函数，正常运行情况下炉管的平均寿命是104931小时，由于指数分布的无记忆性，所以任何时刻炉管的剩余寿命都是104931小时。
2)比较分析转化炉分别在设计温度932.2℃、946.1℃及最高允许温度987.8℃三种不同炉内温度运行时的年平均利润，确定转化炉在946.1℃运行，可以实现企业年平均利润最大化。3)依据现有统计数据，在只考虑经济因素的情况下，炉管的最佳检查维修时间间隔为178小时，可以有效实现总预计检查维修费用最小化。
参考文献:
1.李毅，何永光，刘望平，等。制氢转化炉管损伤状况分析与剩余寿命预测［J］.压力容器，2016，33(04):46-51+58.
2.朱瑞，洑阳成明，浦江，等。长期高温服役CO转化炉炉管的损伤［J］.南京工业大学学报(自然科学版)，2020，42(1):2-9.