延遲焦化裝置（兩爐三塔）焦炭塔管道布置與應(yīng)力分析

吉 源

（中國(guó)昆侖工程有限公司葫蘆島分公司，遼寧葫蘆島 125001）

延遲焦化裝置是物料在高流速、短停留時(shí)間的條件下，在加熱爐爐管中被加熱到指定生焦溫度，再通過管道輸送到焦炭塔中完成生焦過程，避免物料在加熱爐爐管和轉(zhuǎn)油線內(nèi)生焦，“延遲”后在焦炭塔內(nèi)生焦，故名“延遲焦化”。某15萬t/a延遲焦化裝置，采用“兩爐三塔”工藝，以催化油漿為原料生產(chǎn)油系針狀焦?！皟蔂t”分別是焦化油爐和干燥氣爐，“三塔”是三座相同的焦炭塔。焦化油爐用來加熱焦化油，加熱完去焦炭塔生焦；干燥氣爐用來加熱干燥氣（柴油組分），在焦炭塔生焦完畢后，向塔里吹入加熱后的干燥氣，吹出油氣組分，保證焦炭的質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到要求。應(yīng)力分析的主要工藝管線包括：轉(zhuǎn)油線、干燥氣線、焦炭塔進(jìn)料線、焦炭塔油氣線、焦炭塔放空線、焦炭塔安全閥線、焦炭塔開工線，甩油線，注蒸汽線，冷焦水線回水線。本文主要針對(duì)管線應(yīng)力分析中需要注意的問題，結(jié)合延遲焦化裝置自身的特點(diǎn)進(jìn)行討論。

1 管道布置

1.1 加熱爐出口管道布置

與兩臺(tái)加熱爐輻射室出口爐管管口相連的管道應(yīng)該具有足夠的柔性，保證爐管管口受力/力矩滿足API560的要求，如圖1、表1、表2所示。所以，此管線應(yīng)該在與爐管連接后，盡量少的沿爐管方向敷設(shè)，而是往兩側(cè)或上下敷設(shè)足夠長(zhǎng)后再沿爐管方向敷設(shè)，圖2所示。

圖1 爐管受力簡(jiǎn)圖

表1 爐管端部允許承受的力和力矩

表2 爐管端部允許位移

圖2 加熱爐出口管道布置

1.2 焦炭塔管線布置

1.2.1 焦炭塔油氣線和安全閥線

焦炭塔有三座，油氣管線和安全閥出口管線的布置盡量?jī)蓛蓪?duì)稱。管線沿塔頂往下敷設(shè)時(shí)應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢霉諒澰黾尤嵝?，因焦炭塔在操作過程中會(huì)因熱脹而長(zhǎng)高，高度增加量取決于焦炭塔筒體材質(zhì)、長(zhǎng)度和操作溫度，一般增加量為200～300mm，同時(shí)管線也會(huì)有相應(yīng)的位移，此位移量較大，因此管線需要在適當(dāng)位置安裝恒力彈簧支吊架，以確保管線的荷載不會(huì)全部作用于與塔相連的設(shè)備管口，降低管線的二次應(yīng)力。各塔的油氣管線從塔上下來后，在管線平臺(tái)上分為兩支，各分支匯合后分別去分餾塔和放空塔，在分支前的集合管處也需要布置彈簧支吊架，以補(bǔ)償管道向上的位移；安全閥線在管線平臺(tái)上同樣布置彈簧支吊架，如圖3、圖4所示。

圖3 焦炭塔油氣線和安全閥線布置（上半部）

圖4 焦炭塔油氣線和安全閥線布置（下半部）

1.2.2 焦炭塔進(jìn)料線

焦炭塔進(jìn)料是從加熱爐至三通閥（四通閥封閉一路），然后分為兩路，一路進(jìn)四通閥，一路與開工線相連。四通閥有四個(gè)管口，一進(jìn)三出，進(jìn)料來自三通閥，其余三路分別與焦炭塔下塔口的進(jìn)料短接（不屬于焦炭塔本體，是下塔口與底蓋機(jī)相連的過度短接）法蘭口相連。進(jìn)料管線在進(jìn)塔前需要增加脹力彎，防止進(jìn)料管線二次應(yīng)力過大。干燥氣管線和公用工程分配管都與進(jìn)料線相連，這些管線盡量分散、多方位布置，在一個(gè)方向上敷設(shè)的長(zhǎng)度不易太長(zhǎng)。如圖5所示。

圖5 焦炭塔進(jìn)料線、干燥氣線、公用工程分配管布置

2 管道應(yīng)力分析

2.1 模型建立

應(yīng)力分析采用主流的管道應(yīng)力分析軟件CAESARii 2019 Vr.11.0（以下簡(jiǎn)稱Cii）。由于此管系較大，模型節(jié)點(diǎn)較多，手工建模精度不高，可能會(huì)存在節(jié)點(diǎn)連接不準(zhǔn)確，模型校核不通過等問題，建議采用第三方軟件建模后，再導(dǎo)入Cii后進(jìn)行修改，推薦CADWORX建立管系模型。

另外，加熱爐爐管的模型應(yīng)該加入模型中使計(jì)算更為準(zhǔn)確，但是由于爐管在實(shí)際迭代運(yùn)算中很難收斂，所以可不用加入所有爐管，而是僅僅校核爐管管口的力/力矩和位移，按照API560的位移要求，在管口加上DIS.邊界條件，校核管口的力/力矩是否滿足要求即可。

2.2 分析數(shù)據(jù)收集與輸入

延遲焦化裝置采用間歇操作，本裝置為“兩爐三塔”，操作主要過程如圖6所示。

圖6 焦炭塔操作流程

根據(jù)在同一時(shí)刻三座焦炭塔所處的操作狀態(tài)，可以對(duì)應(yīng)出各種管線所處的操作工況，但由于每座塔的操作狀態(tài)很多，所以組合數(shù)也很多，不便于計(jì)算，也沒有必要計(jì)算這么多種工況，這里可以做一些合理的假設(shè)：假設(shè)切焦工況的溫度為高低兩種溫度；假設(shè)某個(gè)塔的安全閥出現(xiàn)起跳（R）的情況；假設(shè)開工時(shí)從A塔或C塔開工，不存在用B塔開工的情況；從而可組合出主要的8種操作工況，如表3所示。（R表示安全閥起跳，H表示此過程的最高操作溫度，L表示最低操作溫度；）

表3 8種操作工況組合

工況組合出來后，便可根據(jù)工況來確定管線的操作狀態(tài)，從而確定管道的溫度、壓力等參數(shù)輸入Cii，其余參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況一起輸入Cii，如圖7所示。

圖7 Cii溫壓條件輸入表

對(duì)于與設(shè)備相連的法蘭還需校核法蘭是否泄漏，Cii有兩種方法，Peq當(dāng)量壓力法和NC3658.3，由于Peq方法未考慮螺栓預(yù)緊力的影響，所以計(jì)算結(jié)果比較保守，所以采用NC3658.3即可。

3 結(jié)束語

延遲焦化裝置需要計(jì)算的應(yīng)力管線較多，工況復(fù)雜，前期管道布置要依照經(jīng)驗(yàn)充分考慮補(bǔ)償量，否則應(yīng)力很難通過，而且修改麻煩，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；若前期充分考慮了管道應(yīng)力要求，則計(jì)算的成功率會(huì)提高。另外，一般Cii剛開始計(jì)算都會(huì)存在不收斂的情況，程序按靜摩擦假設(shè)，算出動(dòng)摩擦的位移，按動(dòng)摩擦迭代后，又算出是靜摩擦，來回?cái)[動(dòng)不能收斂，此時(shí)可打開配置文件，將摩擦剛度改小一些，默認(rèn)值是1.75×106N/mm，可以選5次方，對(duì)大于4mm熱位移不會(huì)有很大影響，會(huì)較容易收斂。