一种钛-钢复合板制容器热气循环试验技术

收稿日期: 2021$02$21 作者简介：张 鹏（1991$）,男，四川眉山人，助理工程师，硕士，从事传热与传质技术研究。E-mail：2468279485@
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石油化工设备
2021年第50卷
生泄漏叫 本文热气循环试验采用的是内部蒸汽加热的
方式，与传统的外部电加热方式相比有诸多优势％ 外部电加热采用的是电热阻丝加热、氮气加压，升 温&升压分开进行#而内部蒸汽加热方式的升温& 升压介质都是水蒸气,升温&升压同时进行,其理 论计算设计及实际操作都较外部电加热方式更简 便，同时内部蒸汽加热方式也符合容器的实际操 作工况#
酸腐蚀，工程上常采用钛-钢复合板制造相关设 备（对钛-钢复合板,升温时钛的线膨胀系数小于 碳素钢的，在钛复层及钛焊缝处会产生拉伸热应 力,温度越高，产生的热应力越大,钛焊缝处就可 能产生裂纹而损坏设备*8+。水压试验对压力容器 的承压性能进行了检验，但是未对容器的承温性 能进行检验（热气循环试验则弥补了这一点,通过 模拟真实操作条件使容器达到相应的温度、压力, 试验结束之后利用氮检漏仪器检验钛焊缝是否发
&2=41. 634 W/(m ・ J )、b 1=0. 003 m、b2=0. 012 m、
#1=2.003 m、#2=2.018 m、#=2 m 带入式(3)，得K=
1 023. 96 W/(m2・°C )。
容器内表面积 S =169. 56 m2,由 KS L $ 1=250. 6X
103 W得N $ 1=1.44 O &故水蒸气与容器之间只需
TA10的比热容为520 J/(kg-?)、导热系数 为 17 W/(m-°C )；Q345R 比热容 490.6 J/(kg-B )、 导热系数41.634 W/ (m・°C )%容器保温材料为 100 mm厚的硅酸铝保温棉，保温棉密度128 kg/m3、 比热容 1 004. 88 J/ (kg-°C )、质量 2 326 kg % 复 合板定性温度为(5+200)E2=102. 5(G )%
式中，厂为水蒸气的冷凝热&J/kg；p为水密度&
kg/m3；"为重力加速度，//s'；#为水的导热系数， W/(/・°C ) ； $为水黏度& Pa-s ； #为容器内径，m ； 5 $
为水蒸气的饱和温度与壁面温度之差& 6 o 将厂#1 940. 6 X 103 J/kg)p=956. 55 kg/m3、g二
2热气循环试验目的
热气循环试验是在模拟生产工况的条件下, 使容器经历升温&升压一降温&降压一再升温&升 压一再降温&降压的试验过程,然后对容器内部所 有钛焊缝进行目视检测&渗透检测&超声波检测以 及氮泄漏检测，确认容器内部所有钛衬里元件的 焊缝无泄漏&内部构件无超过允许范围的变形,从 而确保容器能够安全&可靠地运行％
比热容为4. 223 5 X 103 J/ (kg・°C )，容器自然降
温到80 X减少的热量为1.686X 109 J&水蒸气冷
凝与冷却热量为1.547X 109 J，总共要减少的热
量为3.233 X 109 J。加保温材料后容器的散热速
率为1.28 X 105 J/s &平均降温时间为3.233 X
围环境的联合传热系数 ： ［14］
"T=9. 4+0. 052(!”-!)
(1)
" 式中， t为联合传热系数,W/ (m2-°C )；!”为容器保
温层外壁温度，！为环境温度,U %将t”=60 V、t=
5 W 带入式(1),得")=12. 26 W/(m2-°C )%
由钛材、钢材、硅酸铝保温材料的比热容,联
vessel and evaluate its reliability under actual operating conditions. The design scheme ofthe hot gas circulation test for TA10 十Q345R vessel in the furfural production device was introduced in detail, including the test pressure, test temperature determination, heating and cooling rate selection and test parameter design. In the actual hot gas circulation test the pressure is 1.5 MPa and the temperature is 200 °C. The first average heating
9. 81 m/s2、#=0. 683 5 W/ (m・ < )、$=2. 766 5 X
10>4 Pa-s、#=2 m)? $ =195 @ 带入式(2)，得 ％=
1 942. 65 W/(m2・°C )(
容器与水蒸气之间的总传热系数按照以下公
" 式进行计算!14 :
%二％+ b 1# b ( 2#
要1.44 P的温差就可满足容器30 °C/h的升温
速率要求。
3・3・3蒸汽质量流量确定
由厂+，=250.6X 103 J/s、厂=1 940.6X 103 J/kg&
得到需要的加热蒸汽质量流量+,=465 kg/h o
3・3・4自然降温速率确定
水蒸气的密度为7.84 kg/m3 (200 U )，水的
生器提供的功率在理论上要大于250. 6 kW才能
保证容器以不小于30 ］/h的速率升温，故蒸汽
发生器的选型功率要大于250. 6 kW%
3.3.2传热温差确定
为满足总加热功率的要求, 需要确定水蒸气
与容器之间的最小传热温差%
第4期
张鹏:一种钛-钢复合板制容器热气循环试验技术
・15・
" 容器内膜状冷凝对流传热系数计算公式为!14 :
1钛-钢复合板制容器简介
某糠醛生产用钛-钢复合板制立式圆柱体容器， 材质为采用爆炸复合技术［11］制造的TA10+Q345R复 合板,复合板内层为TA10,外层为Q345R。容器直 径!2 030 mmX(3 + 12)mm,总长 28 725 mm,除去裙 座和接口法兰长26 010mm，有效体积80.6 m3。该 容器工作温度200 7 ,工作压力1. 5 MPa %不包含 内部构件的容器总质量为28 500 kg,其中钛材质 量 2 289 kg %
案可为同类钛-钢复合板制容器的热气循环试验提供技术参考#
关键词：容器；钛■钢复合板；热气循环；设计；操作
中图分类号：TQ050. 7
文献标志码：A
doi:10. 3969/j. issn. 1000-7466. 2021. 04. 003
A Hot Gas Circulation Test Technology of Titanium-steel Composite Plate Vessel
压力1. 5 MPa作为热气循环试验的温度和压力％ 3.2升温及降温速率
根据YBS 71-12—2007《钛-钢复合板制容器 的热态试验》!13"的规定和要求，由蒸汽发生装置 向容器提供热量,使容器温度&压力同步升高％升 温过程中要注意保持容器内各部位同步升温 ,容 器内温度达到操作温度后其压力也达到操作压 力%为防止焊缝在温度急剧变化时出现断裂,按表 1所示数据控制升温速率％在操作温度和操作压 力下保持1h后开始降温，降温过程中容器内压 力随温度降低而降低, 压力降到常压后要防止容 器内出现负压，当容器内温度降到80 M后可开 始再次升温% 热气循环试验中的降温速率按表 1 数据进行控制%第2次升温&降温过程与第1次完 全相同%
第50卷第4期 2021 年 6 月
石油化工设备 PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Vol. 50 No.4 July 2021
Байду номын сангаас
文章编号:1000-7466（2021）04-0013-06
一种钛-钢复合板制容器热气循环试验技术
张鹏
（北京化工大学，北京100020）
摘要：利用热气循环试验可以检测钛■钢复合板制容器的内部缺陷，评定其在实际操作工况下的
表1 热气循环试验中升温及降温速率
温度/!
升温速率/(!- #) 降温速率/(!-h $)
室温-100
40
40
100-200
35
35
!200
30
30
3.3试验参数设计
3.3.1加热功率确定
以升温速率30 N/h作为依据计算加热功
率％根据工程经验，保温棉外表面温度不超过60 O ,
故以60 P作为基准，计算容器保温层外壁对周
K!
& 1# 1
& 2# 2
( 3)
式中&K为总传热系数& W/ (m2・ °C ) ；& 1、&2分别为 TA10、Q345R导热系数&W/ (m・°C )；b 1、b2分别为
TA10、Q345R 厚度 & 、 # 1 #2 分别为 TA10、Q345R 内、
外径的平均值& m。
将 % =1 942. 65 W/ (m2・°C )、& 1=17 W/(m・°C )、
Key words: vessel ； titanium-steel composite plate ； hot gas circulation ； design ； operation
糠醛是以生物质为原料的重要化工产品,可 制取多种衍生物,也用于生产生物柴油）生物汽油 及航空燃料等“3+,被广泛用于合成橡胶、树脂、农 药及医药等领域（中国是糠醛出口大国，国际市场 对中国糠醛的依赖程度越来越高⑷。玉米芯、棉籽 壳、甘蔗渣或木材碎屑等生物质中的半纤维素（戊 聚糖&在酸的催化作用下首先水解生成戊糖（木 糖）,木糖再经酸催化脱水环化生成糠醛[56]O糠醛 生产是在高温、高压、酸性环境下进行[7],为避免
rate is 11 C/h,the average cooling rate is 7.74 C/h. The second average heating rate is 14.55 C/h and the
average cooling rate is 9.81 C/h, which are lower than the relevant technical documents. The designed test plan can provide a technical reference for the hot gas circulation test of similar titanium-steel composite plate vessels.
ZHANG Peng （Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100020, China）
Abstract: The hot gas circulation test can detect the internal defects of the titanium-steel composite plate
合传热系数计算出容器各部分所需加热功率 ,钛
材30 Y/h升温时加热功率为9. 9 kW&低合金钢
30 Z/h升温时加热功率为107. 2 kW、保温材料
升温到60 ［时加热功率为5. 5 kW&保温材料外
壁60 \时的散热功率为128. 0 kW%可以知道,容
器所需总加热功率为250. 6 kW,也就是说蒸汽发
可靠性#详细介绍了糠醛生产装置中TA10+Q345R容器热气循环试验的设计方案，主要包括试验 压力、试验温度确定，升温、降温速率选择以及试验参数设计#实际热气循环试验中的压力为
1. 5 MPa.、温度200 2,第1次平均升温速率11 °C/h、平均降温速率7. 74 °C/h,第2次平均
升温速率14. 55 °C/h、平均降温速率9.81 °C/h,均低于相关技术文件中的规定#设计的试验方
3热气循环试验设计
3.1 试验温度与试验压力
钛-钢复合板制容器的加热一般分为外部电 加热和内部蒸汽直接加热2种方式％经与设计院 和制造厂共同协商，决定在热气循环试验中采用 内部水蒸气直接加热的方式，在升温的同时伴随 着升压，可以避免升温与升压分开操作的繁琐,同 时也更接近实际操作条件％参考有关文献［12］,并 根据设计院的建议,选择工作温度200 H和工作