石油化工裝置大口徑襯里管道設(shè)計(jì)

崔芳(中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 引言

對(duì)于催化裂化、MTO、FMTP 等裝置來(lái)說(shuō)，其襯里管道管徑大、溫度高，同時(shí)，介質(zhì)普遍對(duì)管道內(nèi)壁存在不同程度的腐蝕和沖刷。從耐腐蝕、抗沖刷，以及經(jīng)濟(jì)效益等多角度考慮，應(yīng)選擇一種最優(yōu)的襯里管道布置方案。本文結(jié)合某MTO 裝置煙氣襯里管道，對(duì)此類管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析討論。

2 煙氣系統(tǒng)的工藝流程

MTO 裝置再生后的煙氣中含有部分催化劑，再生煙氣首先經(jīng)過(guò)再生器內(nèi)的兩級(jí)旋風(fēng)分離器，將大部分的催化劑去除，殘存的催化劑在經(jīng)過(guò)三級(jí)旋風(fēng)分離器后被除去。三旋出口的煙氣依次經(jīng)過(guò)雙動(dòng)滑閥和降壓孔板后，經(jīng)過(guò)煙氣水封罐進(jìn)入到CO 焚燒爐、余熱鍋爐，降至一定溫度后排放至煙囪。事故工況下，水封罐出口的煙氣直接排放至煙囪，見(jiàn)圖1。這一系統(tǒng)的管道全部是高溫、大口徑襯里管道，此部分管道的設(shè)計(jì)方案對(duì)整個(gè)MTO 裝置的平面布置影響重大。

圖1 某MTO裝置煙氣系統(tǒng)的工藝流程

3 煙氣襯里管道的管道設(shè)計(jì)

3.1 管道布置的基本原則

(1)應(yīng)滿足工藝管道及儀表流程圖的要求；(2)閥門的設(shè)置應(yīng)考慮方便操作和安全性要求；(3)煙氣襯里管道跨越三個(gè)分區(qū)，設(shè)計(jì)中須考慮與裝置各分區(qū)的配合，尤其是大量的儀表用公用工程管道，需總體考慮，以確保管道的無(wú)縫對(duì)接。(4)煙氣襯里管道上不可避免的會(huì)有膨脹節(jié)穿越平臺(tái)的情況，要根據(jù)膨脹節(jié)的安裝方位和結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整平臺(tái)開(kāi)洞，避免膨脹節(jié)與結(jié)構(gòu)梁發(fā)生碰撞。

3.2 第二再生器至第二再生器三級(jí)旋風(fēng)分離器管道的布置

此段管道的布置與第二再生器和再生三旋的結(jié)構(gòu)形式及相對(duì)位置有關(guān)。為減少工程投資，再生三旋宜靠近再生器布置。此部分煙氣管道宜采用自然補(bǔ)償，取當(dāng)量壁厚和當(dāng)量許用應(yīng)力，進(jìn)行應(yīng)力分析[1]。在本裝置中，由于受到投資成本以及裝置平面布置空間所限，不能完全采用自然補(bǔ)償方案來(lái)實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償，而是選取自然補(bǔ)償以及利用波紋膨脹節(jié)聯(lián)合布置的方式。同時(shí)，在垂直管道部分選用彈簧支架，以補(bǔ)償管道熱脹。

3.3 第二再生器三級(jí)旋風(fēng)分離器至余熱鍋爐管道的布置

本裝置的煙氣管道自三旋出口接出，敷設(shè)距離長(zhǎng)、管道口徑大，采用自然補(bǔ)償手段不但需要很大的補(bǔ)償空間，也很不經(jīng)濟(jì)。另外，過(guò)長(zhǎng)的管段會(huì)增大管道壓降。為保證設(shè)備管嘴承受的作用力和力矩在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，此部分管段采用多個(gè)波紋膨脹節(jié)組合的方式進(jìn)行管道熱補(bǔ)償。

3.4 煙氣襯里管道上開(kāi)口的設(shè)置

煙氣襯里管道上，須設(shè)置采樣器、分析儀、壓力計(jì)、熱電偶等工藝與儀表開(kāi)口。這些小開(kāi)口的數(shù)量多、口徑小。為方便操作，應(yīng)盡量將這些開(kāi)口集中布置。由于煙氣襯里管道的管徑很大，為節(jié)省空間、方便操作、設(shè)計(jì)美觀，可將這些開(kāi)口布置在管道同一橫截面的不同角度上。

在煙氣襯里管道上，還需設(shè)置人孔以方便對(duì)襯里結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工和檢修，尤其是在雙動(dòng)滑閥、余熱鍋爐入口蝶閥和旁路蝶閥的前后管道上，這是與普通管道的重要區(qū)別。人孔的設(shè)置原則是能夠達(dá)到整條襯里管道內(nèi)部，相鄰人孔間距應(yīng)適宜，周圍的構(gòu)架、管道、設(shè)備等應(yīng)留出人孔啟閉的空間。

4 煙氣系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的布置原則

煙氣襯里管道的布置與相連接的設(shè)備布置相關(guān)，本裝置煙氣系統(tǒng)涉及到的設(shè)備包括第二再生器、第二再生器三級(jí)旋風(fēng)分離器、煙氣水封罐、以及余熱鍋爐和煙囪等。在滿足設(shè)備安全距離要求、且盡量減小對(duì)其它管道設(shè)備影響的前提下，此部分設(shè)備應(yīng)盡可能靠近布置，以減少工程投資。本裝置的平面布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 煙氣系統(tǒng)布置圖

除以上主要設(shè)備以外，煙氣系統(tǒng)襯里管道上還設(shè)置有雙動(dòng)滑閥和降壓孔板，作用是保持整個(gè)系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。降壓孔板應(yīng)布置在雙動(dòng)滑閥之后，以減少雙動(dòng)滑閥壓降，確保雙動(dòng)滑閥調(diào)節(jié)靈活，事故狀態(tài)時(shí)，還可以防止再生器和余熱鍋爐超壓。因此，此部分管道的布置還應(yīng)該充分考慮雙動(dòng)滑閥的操作及檢修空間，以及降壓孔板的直管段要求。

5 煙氣襯里管道的選材及襯里結(jié)構(gòu)

合理的選材是保證管道長(zhǎng)周期、安全平穩(wěn)運(yùn)行的前提條件。本裝置再生煙氣管道采用鋼制外壁內(nèi)襯隔熱耐磨材料的結(jié)構(gòu)形式，由于襯里結(jié)構(gòu)將介質(zhì)的溫度進(jìn)行了有效的阻擋，鋼管的外表面溫度通常在180～200℃，再生煙氣管道的鋼壁設(shè)計(jì)溫度可取為300℃。碳鋼Q235B 在壓力管道系統(tǒng)中一般最高使用溫度為350℃，因此再生煙氣管道外壁鋼制材料選用Q235B 完全可以滿足長(zhǎng)周期使用的要求。

管道襯里部分采用龜甲網(wǎng)雙層襯里，該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)隔熱層可以有效降低襯里管道外壁鋼管的溫度，對(duì)鋼管材質(zhì)的選擇標(biāo)準(zhǔn)可相應(yīng)放寬，節(jié)省工程投資；(2)有效降低管道壁溫，利于管道熱補(bǔ)償；(3)耐磨性能優(yōu)異，整體性好、不易脫落等[2]等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)耐磨層厚度的不同，此種襯里結(jié)構(gòu)又可分為普通耐磨襯里和高耐磨襯里。后者主要用于雙動(dòng)滑閥后至臨界流速噴嘴之前。加厚耐磨層是由于此部分管道操作條件十分苛刻，屬高溫、高沖刷部位，在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生襯里損壞、磨穿和設(shè)備超溫等狀況。無(wú)論從安全角度還是經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講，都需要將耐磨層加厚，減少介質(zhì)對(duì)管道及設(shè)備的沖刷磨損。

6 煙氣襯里管道支吊架的設(shè)計(jì)

管道支吊架的設(shè)計(jì)與管道應(yīng)力分析密切相關(guān)。為滿足管系的應(yīng)力要求，應(yīng)合理設(shè)置支吊架。本裝置中為了滿足煙氣襯里管線的柔性要求，除了普通的剛性支撐以外，根據(jù)管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，還設(shè)置了部分導(dǎo)向和限位支架。

另外，為了滿足管道在不同工況下均能平穩(wěn)可靠運(yùn)行，在管道位移量較大處還設(shè)置了部分彈簧支吊架。對(duì)于水平布置的管道，采用鞍式支座與彈簧箱的組合形式；對(duì)于垂直管道上設(shè)置彈簧支吊架的情況，采用耳式支座與彈簧支吊架組合的形式。在這種組合條件下，須注意以下幾點(diǎn)：(1)彈簧的工作荷載應(yīng)等于管道與耳式支座的垂直荷載之和，避免耳式支座的重量帶來(lái)的荷載偏差。(2)彈簧的工作荷載與使用的組合支架的數(shù)量有關(guān)，當(dāng)使用N 組組合支架時(shí)，每組組合支架中彈簧的工作荷載為總工作荷載的1/N。(3)熱位移不足5mm 時(shí)，需向上圓整至5mm；當(dāng)熱位移大于5mm 的時(shí)候，按實(shí)際熱位移進(jìn)行選型。

7 結(jié)語(yǔ)

煙氣襯里管道的設(shè)計(jì)，首先要保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，兼顧操作檢修方便。只有對(duì)管道走向以及支吊架等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并根據(jù)具體裝置的操作參數(shù)合理選擇管道材料以及襯里方案，使其能夠既滿足管道柔性以及相關(guān)設(shè)備管嘴受力的要求，又節(jié)省工程投資，才是管道的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

任何裝置的煙氣襯里管道，除具有一般襯里管道的共同特征外，尚具有本身特有的一些特性。因此，在符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的前提下，還需要結(jié)合裝置的實(shí)際情況，靈活調(diào)整和變換不同的設(shè)計(jì)方案，以尋求管道設(shè)計(jì)的最優(yōu)化方案。