波紋管膨脹節(jié)在芳烴聯(lián)合裝置中的應(yīng)用

劉幸平，姜忠楠

（中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司北京分院，北京 100029）

芳烴聯(lián)合裝置是石油化工企業(yè)的核心裝置之一，通常由預(yù)加氫、催化重整、芳烴抽提、二甲苯分離、歧化及烷基轉(zhuǎn)移、吸附分離和二甲苯異構(gòu)化等單元組成。該裝置中的高溫管道對自身柔性有很高要求，以保障管道安全運(yùn)行和相連設(shè)備管口不受損壞。當(dāng)改變管道走向受空間或工藝要求限制時(shí)，可考慮采用波紋管膨脹節(jié)增加管道柔性[1]。

波紋管膨脹節(jié)是由波紋管和結(jié)構(gòu)件組成，用來吸收由于熱脹冷縮等原因引起的管道和設(shè)備尺寸變化的裝置。按照自身能否承受壓力推力將波紋管膨脹節(jié)分為約束型膨脹節(jié)和非約束型膨脹節(jié)，其中約束型膨脹節(jié)能夠承受壓力推力，主要包括單式鉸鏈型、單式萬向鉸鏈型、復(fù)式鉸鏈型、復(fù)式萬向鉸鏈型、復(fù)式拉桿型和壓力平衡型等；而非約束型膨脹節(jié)不能承受壓力推力，主要包括外壓軸向型、單式軸向型等[2]。

管道系統(tǒng)柔性設(shè)計(jì)時(shí)，膨脹節(jié)的選型與管道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)。膨脹節(jié)的不當(dāng)選型，不僅使管道系統(tǒng)造價(jià)偏高，更有可能導(dǎo)致膨脹節(jié)難以吸收管道熱位移，給管道系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來隱患，下面以芳烴聯(lián)合裝置中四個(gè)管道系統(tǒng)為例介紹波紋管膨脹節(jié)的選型設(shè)計(jì)。

1 連續(xù)重整單元催化劑再生煙氣管道

1.1 工藝流程說明

待生催化劑進(jìn)入再生器后，附著于催化劑表面的積碳燃燒，產(chǎn)生的高溫將會增加催化劑永久性損害的風(fēng)險(xiǎn)，為此需要設(shè)置再生煙氣循環(huán)回路。催化劑再生燒焦產(chǎn)生的煙氣從再生器頂部流出，依次經(jīng)過再生風(fēng)機(jī)、再生空冷器和再生電加熱器，最終返回再生器。其中再生空冷器將燒焦產(chǎn)生的熱量帶走，再生電加熱器在裝置開車或管線內(nèi)的熱損失大于燃燒熱時(shí)將氣體加熱到適宜的溫度。重整催化劑再生煙氣管道參數(shù)見表1。

表1 管道設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Pipe design parameters

1.2 管道應(yīng)力分析與膨脹節(jié)設(shè)計(jì)

由于煙氣管道管徑較大，通過改變管道走向增大柔性受空間限制，同時(shí)再生風(fēng)機(jī)和再生空冷器等設(shè)備管口允許受力要求苛刻，因此該管道系統(tǒng)通過設(shè)置波紋管膨脹節(jié)增加柔性。采用CAESAR Ⅱ軟件詳細(xì)分析，分析過程中綜合考慮以下因素：

（1）管道系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備需要準(zhǔn)確模擬：再生器裙座溫度需要考慮，再生風(fēng)機(jī)管口熱位移需要廠家提供準(zhǔn)確值。

（2）再生空冷器和再生電加熱器各采用兩個(gè)彈簧懸掛，需要制造商提供重心位置，以便準(zhǔn)確選擇彈簧吊架。

（3）由于再生風(fēng)機(jī)等設(shè)備管口允許受力較小，選用彈簧支吊架時(shí)需要考慮管托或管夾的重量。

（4）針對支撐擱置型彈簧，需要考慮管托底板和彈簧荷重板之間的摩擦力。

（5）應(yīng)根據(jù)各設(shè)備位置合理規(guī)劃管道走向，盡可能增加成組單式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)之間的直管長度，以減小膨脹節(jié)變形量，必要時(shí)可以選用小半徑彎 頭。

反復(fù)調(diào)整膨脹節(jié)數(shù)量和型式及彈簧支吊架位置和工作載荷，最終確定管道設(shè)計(jì)方案，如圖1 所示。圖中EXP-03，EXP-04 和EXP-07 為單式鉸鏈型膨脹節(jié)，其他均為單式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)。

圖1 重整催化劑再生煙氣管道膨脹節(jié)布置方案Fig.1 CCR catalyst regeneration flue gas pipeline layout schems with bellow expansion joint

膨脹節(jié)選用單層波紋管，波紋管只能有縱向焊縫，不得有環(huán)向焊縫。膨脹節(jié)需要設(shè)置導(dǎo)流筒，無論膨脹節(jié)處于何種工況，導(dǎo)流筒和端管之間的間隙不能限制兩者相對位移，導(dǎo)流筒長度必須大于波紋管長度且與端管重疊不小于25 mm。與波紋管接觸的再生煙氣中含有Cl-，綜合考慮管道溫度和介質(zhì)腐蝕性等因素，確定波紋管材質(zhì)采用Incoloy 800，波紋管設(shè)計(jì)壽命不低于3 000 次。

2 連續(xù)重整單元催化劑輸送管道

2.1 工藝流程說明

經(jīng)過再生器再生的催化劑流入L 型閥組后，由來自再生催化劑提升風(fēng)機(jī)的氮?dú)馓嵘猎偕呋瘎┓蛛x料斗，而后經(jīng)除塵風(fēng)機(jī)而來的氮?dú)馓韵捶蹓m，在重力作用下流入閉鎖料斗分離罐。打開閉鎖料斗放空，使閉鎖料斗壓力降低至與閉鎖料斗分離罐平衡，此時(shí)催化劑靠重力流入閉鎖料斗。經(jīng)過同樣的壓力平衡過程，催化劑繼續(xù)靠重力向下流入閉鎖料斗緩沖罐，然后經(jīng)L 型閥組提升至重整反應(yīng)器頂部還原段。催化劑輸送管道布置如圖2 所示，管道參數(shù)見表1。

圖2 重整催化劑輸送管道膨脹節(jié)布置方案Fig.2 CCR catalyst transport pipeline layout schems with expansion joint

2.2 管道應(yīng)力分析與膨脹節(jié)設(shè)計(jì)

EXP-10 軸向壓縮量為225 mm，選用外壓軸向型膨脹節(jié)。緊靠EXP-10 下方設(shè)置固定支架。再生催化劑分離料斗和閉鎖料斗固定于鋼結(jié)構(gòu)，閉鎖料斗分離罐采用彈簧支撐并設(shè)置導(dǎo)向支架。EXP-11 軸向壓縮量為23 mm，選用單式軸向型膨脹節(jié)，為防止波紋管失穩(wěn)變形，在C-D 管段設(shè)置導(dǎo)向支架。由于EXP-10 和EXP-11 無法承受管道內(nèi)壓產(chǎn)生的壓力推力，在設(shè)計(jì)EXP-10 下方的固定支架、再生器下管口、再生催化劑分離料斗下管口和閉鎖料斗分離罐上管口時(shí)需要考慮波紋管膨脹節(jié)壓力推力的影響。

EXP-10 和EXP-11 膨脹節(jié)豎直安裝，催化劑向下流動。為減少重整貴金屬催化劑磨損，膨脹節(jié)端管和導(dǎo)流筒內(nèi)徑與膨脹節(jié)上游管道一致；所有與催化劑接觸的焊縫打磨光滑，與管道內(nèi)部平滑連接；膨脹節(jié)采用錐孔法蘭與上游管道連接。為避免催化劑進(jìn)入波紋管中，膨脹節(jié)導(dǎo)流筒下端必須低于波紋管下端75 mm，導(dǎo)流筒和下端管之間的環(huán)形間隙既要保證管道升溫后兩者能夠相對位移，又要盡可能小。波紋管采用Incoloy 800 材質(zhì)，設(shè)計(jì)壽命不低于500 次。

3 吸附分離單元吸附塔循環(huán)泵進(jìn)出口管道

3.1 工藝流程說明

吸附分離單元采用旋轉(zhuǎn)閥、循環(huán)泵和兩個(gè)吸附塔組成的模擬移動床系統(tǒng)。每個(gè)吸附塔有12 個(gè)床層，利用循環(huán)泵將兩個(gè)吸附塔首尾相連，使兩個(gè)吸附塔形成環(huán)形吸附室。吸附塔中吸附劑靜止，旋轉(zhuǎn)閥周期性改變物料在吸附塔中的進(jìn)出口位置，各股物料之間相對位置保持不變，相當(dāng)于吸附劑向相反方向移動，這樣就形成了模擬移動床。吸附塔循環(huán)泵進(jìn)出口管道參數(shù)見表1。

3.2 管道應(yīng)力分析與膨脹節(jié)設(shè)計(jì)

吸附塔循環(huán)泵采用兩開一備方案，由于工藝專利商對管道布置有嚴(yán)格要求[3]，經(jīng)過分析采用復(fù)式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)增大管道柔性，降低泵管口受力，如圖3 和圖4 所示。吸附塔底引出管水平位移比較大，和設(shè)備專業(yè)協(xié)商增大塔底引出管與塔裙座通道管之間的環(huán)形間隙。復(fù)式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)可以吸收多個(gè)平面橫向位移和單個(gè)平面的角位移[4]，經(jīng)過分析對比發(fā)現(xiàn)，復(fù)式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)的鉸鏈板南北方向布置時(shí)泵管口受力比東西方向布置好。

為了避免物料切換時(shí)膨脹節(jié)內(nèi)殘留液體影響產(chǎn)品純度，膨脹節(jié)導(dǎo)流筒需要設(shè)置排液孔。由于泵管口受力苛刻，在得到膨脹節(jié)準(zhǔn)確重量后才能確定彈簧支吊架的工作載荷。復(fù)式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)的中間管由中間鉸鏈板支撐，避免中間管重量作用于下部波紋管。波紋管采用Incoloy 800 材質(zhì)，疲勞壽命不低于3 000 次。

4 吸附分離單元抽余液塔底重沸爐泵進(jìn)口管道

由于抽余液塔釜物料量較大，塔底泵采用兩開一備將物料輸送至抽余液塔重沸爐，為了減小管道壓降，泵進(jìn)口管道采用復(fù)式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，管道布置如圖5 所示，管道參數(shù)見表1。管道柔性設(shè)計(jì)方案與吸附塔循環(huán)泵類似，不再贅述。

圖3 吸附塔循環(huán)泵進(jìn)口管道膨脹節(jié)布置方案Fig.3 Adsorption column recycle pump inlet pipeline layout schems with expansion joint

圖4 吸附塔循環(huán)泵出口管道膨脹節(jié)布置方案Fig.4 Adsorption column recycle pump outlet pipeline layout schems with expansion joint

圖5 抽余液塔底重沸爐泵進(jìn)口管道膨脹節(jié)布置方案Fig.5 Raffinate column bottom pump inlet pipeline layout schems with expansion joint

5 結(jié)束語

當(dāng)管道系統(tǒng)需要采用波紋管膨脹節(jié)增加柔性時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)符合工藝專利商要求，然后根據(jù)管道布置方案選擇合適的膨脹節(jié)型式，在選擇波紋管材質(zhì)時(shí)需要綜合考慮溫度、外部環(huán)境和介質(zhì)腐蝕性等因素。本芳烴聯(lián)合裝置中波紋管膨脹節(jié)的應(yīng)用增加了高溫管道的柔性，解決了設(shè)備管口受力過大的問題。管道及設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行的實(shí)踐證明了相關(guān)設(shè)計(jì)是成功的，對類似裝置的設(shè)計(jì)具有一定的參考與借鑒意義。