空分裝置高壓蒸汽管道在設(shè)計中的常見問題分析及改進(jìn)措施

亓 峰，王永鋒

(北京石油化工工程有限公司西安分公司 陜西西安 710075)

近年來，隨著市場對空分產(chǎn)品的需求不斷增加，空分裝置的規(guī)模也越來越大?？辗盅b置中的高壓蒸汽管道具有溫度和壓力高、流速快、危險系數(shù)大的特點，是全裝置中至關(guān)重要的管線，與裝置的安全運行密切相關(guān)。本文以某35 000 m3/h(標(biāo)態(tài))空分裝置為例，就高壓蒸汽管道的選材、布置、疏水、吹掃等設(shè)計方面存在的常見問題進(jìn)行分析和探討。

1 高壓蒸汽管道流程

空分裝置配置1根來自界區(qū)外鍋爐裝置的高壓蒸汽管道，作為裝置的高壓蒸汽主管，為空分裝置運行提供動力。高壓蒸汽管道的流程設(shè)計應(yīng)綜合考慮施工階段的吹掃、空分裝置運行前期的暖管及試運行過程中可能出現(xiàn)的問題，35 000 m3/h(標(biāo)態(tài))空分裝置高壓蒸汽流程如圖1所示。

2 高壓蒸汽管道設(shè)計中須注意的問題及解決措施

2.1 高壓蒸汽管道的選材

35 000 m3/h(標(biāo)態(tài))空分裝置的高壓蒸汽參數(shù)：設(shè)計溫度545 ℃，操作溫度530 ℃；設(shè)計壓力10.3 MPa，操作壓力9.8 MPa。

目前,滿足上述工況的材質(zhì)主要有12Cr1MoV和A335P91，這2種材質(zhì)在上述溫度和壓力條件下均能平穩(wěn)運行。12Cr1MoV為國產(chǎn)鋼材，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB 5310—2008)。A335P91為美標(biāo)鋼材，執(zhí)行規(guī)范為《高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管》(ASME SA335M)。A335P91是美國橡樹林國家實驗室和美國燃燒工程公司在9Cr-1Mo耐熱鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)的鐵素體型耐熱鋼，1984年美國ASTM和ASME分別將其列入A335和SA335標(biāo)準(zhǔn)中[1]。A335P91在高溫工況下的力學(xué)性能明顯優(yōu)于12Cr1MoV，在保證管道通流能力不變的前提下，可選擇壁厚較薄、外徑較小的管道，能在更小的空間達(dá)到補(bǔ)償效果[2]。

以35 000 m3/h(標(biāo)態(tài))空分裝置為例，高壓蒸汽主管道公稱直徑為DN 350 mm，采用12Cr1MoV和A335P91材質(zhì)的管道壁厚分別為38 mm和22 mm，2種材質(zhì)的高壓蒸汽主管道的對比見表1。

表1 2種材質(zhì)的高壓蒸汽主管道的對比

如表1所示，采用A335P91制作高壓蒸汽管道的成本較低，而且A335P91管道總質(zhì)量相對較輕，可相應(yīng)減少土建成本。因此，對于整個空分裝置而言，采用A335P91材質(zhì)制作高壓蒸汽管道更加經(jīng)濟(jì)合理。

2.2 高壓蒸汽管道布置設(shè)計中的注意事項

在具體的高壓蒸汽管道布置設(shè)計中，須綜合考慮管道的應(yīng)力、管廊的布置、疏水位置以及與其他工藝管道和橋架的相互影響等，合理規(guī)劃并遵循如下原則。

(1)由于高壓蒸汽管道溫度較高，管道宜布置在管廊頂層，與其他管道(尤其是低溫管道)及橋架應(yīng)保持合理的凈空高度。

(2)高壓蒸汽管道的分支宜從管道頂部接出，如果空間受限，支管也可從主管水平接出，但應(yīng)避免從管道底部接出。

(3)高壓蒸汽管道上的高壓蒸汽切斷閥宜布置在壓縮機(jī)廠房外，其原因是高壓蒸汽切斷閥的填料函一旦出現(xiàn)損壞，大量蒸汽將從此處泄漏，此時將嚴(yán)重影響工作人員的操作和巡檢。

2.3 隔熱支架的選用

因碳鋼管道只適用于400 ℃以下的工況，所以在早期的空分裝置中，管道支架采用與管道材質(zhì)相同的管托或假腿支架。在35 000 m3/h(標(biāo)態(tài))空分裝置中，高壓蒸汽管道的保溫層厚度為180 mm，如果采用與管道材質(zhì)相同的支架，支架高度至少為250 mm。按支架高度250 mm考慮，裸露在外的支架高度為70 mm，通過向周圍環(huán)境散熱，支架底部溫度已低于400 ℃，可以支撐在鋼結(jié)構(gòu)上，甚至在需要設(shè)置固定點的地方，支架可以與鋼結(jié)構(gòu)直接焊接，這樣就解決了支架安全性的問題，但此種支架會造成大量的熱損失。

近年來，隨著節(jié)能降耗技術(shù)的進(jìn)步和推廣，新型的隔熱管托逐漸得到了應(yīng)用。如圖2所示，隔熱管托通過保溫材料實現(xiàn)了管道與外界環(huán)境的隔絕，管托外表面的溫度遠(yuǎn)低于管道表面溫度，大幅減少了管道的熱損失。在設(shè)計過程中，通過隔熱管托與其他類型的支架組合，就可以實現(xiàn)導(dǎo)向、止推、四方限位等功能，完全可滿足設(shè)計要求。在35 000 m3/h(標(biāo)態(tài))空分裝置中，全部選用隔熱管架取代普通支架，總計增加建設(shè)成本3萬元，但可減少熱損失，從長遠(yuǎn)看來，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

2.4 管道疏水注意事項

因高壓蒸汽飽和溫度為310 ℃，此操作溫度下為過熱蒸汽，在正常運行情況下只有管道低點有少量冷凝液產(chǎn)生。因此，設(shè)計階段只需考慮吹掃時的排污和疏水以及啟動時的疏水，并且因凝結(jié)水量較少，就地排放即可。管道疏水在設(shè)計中常見的問題說明如下。

(1)切斷閥宜采用閘閥。閘閥的截面與截止閥不同，因吹掃階段管道內(nèi)雜質(zhì)較多，現(xiàn)場吹掃時會出現(xiàn)閥門多次堵塞的現(xiàn)象，尤其是截止閥堵塞較嚴(yán)重。采用閘閥作為切斷閥時，若吹掃過程中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，用木棍敲打即可。采用閘閥后閥門開閉次數(shù)較少且設(shè)計有雙閥，因閥門故障影響空分裝置運行的情況不易發(fā)生。

(2)疏水管線溫度較高，末端作為自由端容易出現(xiàn)擺動，故應(yīng)當(dāng)設(shè)置合理的限位支架以加強(qiáng)支撐。

2.5 高壓蒸汽吹掃的問題

高壓蒸汽與汽輪機(jī)連接處可適當(dāng)增加拆卸法蘭。如圖3所示，吹掃時將拆卸法蘭后端的管道拆下后旋轉(zhuǎn)180°，末端連接臨時管道即可。為確保安全，臨時管道末端應(yīng)設(shè)置固定支架。

3 結(jié)語

高壓蒸汽管道與空分裝置的經(jīng)濟(jì)性、安全性密切相關(guān)，針對高壓蒸汽管道設(shè)計中的常見問題，采取如下措施達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理、安全的目的。

(1)高壓蒸汽管道材質(zhì)宜選用A335P91，以減少建設(shè)成本。

(2)管道布置須綜合考慮管道的應(yīng)力、疏水位置、與其他工藝管道和橋架的相互影響。

(3)高壓蒸汽管道宜選用隔熱管托，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。

(4)疏水管道宜采用閘閥作為切斷閥，而且管道末端應(yīng)加強(qiáng)支撐。

(5)高壓蒸汽與汽輪機(jī)連接處可適當(dāng)增加拆卸法蘭以便于吹掃。