催化裂化裝置煙機(jī)入口管道的配管設(shè)計

任曉雯

（中國石化集團(tuán)洛陽石化工程公司配管室，河南 洛陽 471003）

1 概述

催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)能量回收機(jī)組是催化裂化裝置的重要組成部分。隨著裝置的大型化及催化裂化原料的重質(zhì)化，再生器的溫度和壓力越來越高，主風(fēng)機(jī)耗功也相應(yīng)增大，為了充分利用再生煙氣的壓力能和熱焓，對于大中型重油催化裂化裝置都采用煙氣能量回收系統(tǒng)來補(bǔ)充耗功并發(fā)電，供裝置內(nèi)使用或并入電網(wǎng)，從而達(dá)到降低裝置能耗，節(jié)約成本目的。

在催化裂化裝置中，由三級旋風(fēng)分離器，能量回收機(jī)組等組成的系統(tǒng)稱為煙氣能量回收系統(tǒng)，而由煙機(jī)、主風(fēng)機(jī)、電動發(fā)電機(jī)組成的機(jī)組則被稱為煙氣能量回收機(jī)組。管道設(shè)計專業(yè)對能量回收系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括機(jī)組及設(shè)備的布置和煙氣管道、主風(fēng)管道、潤滑油管道等的設(shè)計，而煙氣管道的設(shè)計在能量回收系統(tǒng)設(shè)計中，起著十分重要的作用。煙氣管道的設(shè)計是否合理，直接影響著煙氣輪機(jī)的正常運行和使用壽命，本文主要討論煙氣管道的配管設(shè)計。

2 煙氣管道的設(shè)計特點、布置原則及組成

煙氣管道的管道直徑大，一般為DN800-DN3000；介質(zhì)（煙氣含少量催化劑顆粒）溫度高，一般為670℃～750℃；且與之相接的煙機(jī)嘴子受力要求又十分嚴(yán)格。此類管道設(shè)計條件苛刻，技術(shù)含量高，需要考慮的因素多，從而使煙氣管道的設(shè)計具有一定的難度。因此煙氣管道的布置原則為，在保證安全運行的前提下，減少煙氣在管道中的溫降和壓降，以提高能量的回收率，同時盡可能地節(jié)省投資。煙氣管道主要包括連接再生器、三級旋風(fēng)分離器、煙機(jī)、水封罐和余熱鍋爐的管道。其中主要設(shè)備的布置如圖1所示。

圖1 煙氣管道及設(shè)備布置示意圖

考慮到煙機(jī)操作溫度高，轉(zhuǎn)速高，嘴子受力條件要求苛刻，設(shè)計難度大，以下僅對煙機(jī)的進(jìn)口管道（三級旋風(fēng)分離器至煙機(jī)管道）設(shè)計的具體方法進(jìn)行一些探討。

3 三級旋風(fēng)分離器至煙機(jī)入口的管道設(shè)計

煙機(jī)入口管道的管內(nèi)介質(zhì)為高溫?zé)煔猓ㄆ渲泻?CO、CO2、SO3、H2S等腐蝕介質(zhì)），其溫度高達(dá)670℃～750℃，壓力為0.3Mpa，管徑通常為DN800-DN1600。由于其所處的特殊位置，該管道的設(shè)計優(yōu)劣，直接影響裝置的能耗及裝置的長、滿、優(yōu)、穩(wěn)生產(chǎn)，其設(shè)計應(yīng)考慮以下幾點：

（1）管道材料必須滿足耐高溫及防腐蝕的要求；

（2）管系應(yīng)有足夠的柔性，使煙機(jī)入口嘴子受力滿足要求；

（3）盡量減少材料的數(shù)量，節(jié)省投資。為了滿足以上要求，設(shè)計中需采取相應(yīng)的措施。

3.1 管道材質(zhì)的選擇

為了防止襯里脫落，帶進(jìn)煙機(jī)而損壞其動、靜葉片，該管道采用熱壁管道設(shè)計，且對管材的選擇具有較高的要求，通常采用耐熱不銹鋼。下表為常用的三種不銹鋼的高溫性能數(shù)據(jù)。節(jié)，垂直管道上設(shè)兩個單式萬向型膨脹節(jié)，水平管道上設(shè)一個單式鉸鏈型膨脹節(jié)，對于垂直和水平管道較長，熱脹量大的Z型管系，建議采用第一種補(bǔ)償方式；對于熱脹量較小的管系，采用第二種補(bǔ)償方式較為合適。利用波形補(bǔ)償器的角變形來吸收管道各個方向的熱脹量，由于補(bǔ)償器的剛度系數(shù)很小因此變形后彈性反力也很小。為減少膨脹節(jié)的波數(shù)和降低熱態(tài)管道對煙機(jī)的推力，在水平和垂直管段上各留一個預(yù)拉口進(jìn)行冷緊，一般為50～100%預(yù)拉。

表1 三種常用不銹鋼的高溫性能

3.2 管道柔性設(shè)計

在以往的設(shè)計中，管材一般使用1Cr18Ni9Ti，該材質(zhì)具有較好的抗氧化性及防腐蝕性，材料中由于Ti的存在，具有抗晶間腐蝕的能力（主要指在停工時的露點腐蝕工況下），但Ti又是易被氧化的元素，它的存在將導(dǎo)致材料在高溫下機(jī)械性能下降，當(dāng)溫度達(dá)700℃時，該材質(zhì)的許用應(yīng)力僅為13MPa，為此，在滿足同樣溫度要求的情況下，管道壁厚較厚。

0 Cr19Ni9具有較好的機(jī)械性能和抗高溫氧化、抗腐蝕的性能。當(dāng)溫度達(dá)700℃時，該材質(zhì)的許用應(yīng)力為27MPa，但焊縫處抗晶間腐蝕的能力較差，在停工狀態(tài)，易產(chǎn)生露點腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。

隨著催化裂化裝置摻煉重油、減渣比例的提高，原料中硫含量的增加，耐硫腐蝕應(yīng)引起足夠的重視。此外，氯離子腐蝕、露點腐蝕等，都嚴(yán)重影響著煙氣管道的使用壽命。為了解決這些問題，設(shè)計選用了316H作為該管道的材質(zhì)。這種材料具有較好的冷熱加工性能，焊接性能和抗腐蝕性能，且熱敏性低，當(dāng)溫度為700℃時，許用應(yīng)力為30MPa。

為使煙氣管道具有一定柔性，在進(jìn)行平面布置和管道規(guī)劃時，應(yīng)盡量使管系的走向與所有熱位移方向位于同一平面，即形成平面管系，但受環(huán)境限制，也可設(shè)計成立體管系，并將其分解成兩個平面管系進(jìn)行補(bǔ)償，各設(shè)一組三鉸鏈（也可以用一組復(fù)式萬向型膨脹節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償）。在平面L型管系中，采用一組三個單式鉸鏈型膨脹節(jié)，對三維立體Z型布置采用兩種方式來吸收熱脹：(一)用固定支架在垂直管道上合適的位置將Z型管系分解成兩個二維平面"L"型，并在每個"L"型管系中各設(shè)一組三個單式鉸鏈型膨脹節(jié)；（二）在三維立體Z型管道上設(shè)一組單式萬向型膨脹

4 設(shè)計實例

下面以某煉油廠催化裂化裝置的煙機(jī)入口管道為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖2所示，該管垂管段較長28575mm，水平管段較短23720mm，且為立體管系，為了減少三旋嘴子的受力，在垂直管道中部設(shè)置固定承重支架，將該煙機(jī)入口管道分解為兩個平面管系，各設(shè)一組三個單式鉸鏈型膨脹節(jié)（膨脹節(jié)1-6），分別進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 煙機(jī)入口管道設(shè)計圖

為保證煙氣均勻地進(jìn)入煙機(jī)，不產(chǎn)生偏流而影響煙機(jī)的動平衡，高溫蝶閥至煙機(jī)入口法蘭間的距離≥6DN。

在煙機(jī)入口前，應(yīng)留有短節(jié)，以便于煙機(jī)的檢修，并在煙機(jī)入口的附近設(shè)一組復(fù)式萬向膨脹節(jié)7，以調(diào)節(jié)補(bǔ)償由于煙機(jī)基礎(chǔ)下沉或管道施工誤差而造成的煙機(jī)入口法蘭與管道法蘭的對中偏差，減少煙機(jī)入口法蘭受力，并在短節(jié)處設(shè)有恒力彈簧吊架（彈簧吊架6），以減少煙機(jī)嘴子的受力。

煙機(jī)入口的支架設(shè)置也非常重要，由于煙機(jī)的機(jī)殼為中心支撐，為保證其轉(zhuǎn)子在熱態(tài)時的水平度，煙機(jī)進(jìn)口管道上的支架也采用中心支撐。故采用了中心支撐的擺式支架和滾動支架的支撐方式，熱脹位移過程中可保持管道中心位置不變，且摩擦力最小。如2中擺式支架1和擺式支架2，用以支撐高溫蝶閥及管道，同時在兩個高溫閘閥之間設(shè)置兩組彈簧吊架（彈簧吊架4，彈簧吊架5）以減少擺式支架的滾動摩擦力，從而減少煙機(jī)入口推力。由于煙氣入口管道采用三鉸鏈補(bǔ)償，膨脹節(jié)的制造間隙等原因，導(dǎo)致整個管系的側(cè)向不穩(wěn)定性，在風(fēng)載荷或其他外力的作用下，管系易產(chǎn)生擺動，從而，對煙機(jī)入口產(chǎn)生額外的力。為此在靠近彎頭處加合適的導(dǎo)向支架（導(dǎo)向支架1導(dǎo)向支架2），并留有足夠的管道徑向熱膨脹間隙。

為了開機(jī)前引入少量的煙氣預(yù)熱煙機(jī)，在高溫閘閥和高溫蝶閥處設(shè)旁通線，以方便操作。為減少該管道對煙機(jī)入口的影響，該管道應(yīng)具有良好的柔性，隨煙機(jī)入口大管道一起移動，為此設(shè)置了三個彈簧吊架（彈簧吊架1、彈簧吊架2、彈簧吊架3）來承受該管的荷重。

當(dāng)煙機(jī)檢修停運時，高溫蝶閥前煙氣管道中存積冷能水，氯離子和亞硫酸根離子積聚，腐蝕不銹鋼管道和膨脹節(jié)，所以在高溫閘閥前設(shè)置排凝線。

為了防止在暖機(jī)過程中出現(xiàn)熱拱現(xiàn)象和凝液被高速煙氣流攜帶入煙機(jī)，高溫兩高溫蝶閥之間繞度最大處，增設(shè)低點排凝。

5 煙機(jī)入口管道安裝注意事項

（1）水平管段應(yīng)從煙機(jī)入口開始依次向外施工，固定口應(yīng)選定在遠(yuǎn)離煙機(jī)管口的位置，先安裝管道支架，保證管道與煙機(jī)連接法蘭的良好對中，管道的重量和附加力矩不得作用在煙機(jī)上，最后一道焊口遠(yuǎn)離煙機(jī)。

（2）管道組焊之前，對管道和管件內(nèi)設(shè)置臨時支撐，以保證其橢圓度要求。

（3）應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計要求留出預(yù)拉口，并加臨時連接件固定，管道嚴(yán)禁強(qiáng)行組對，待整個管道連接找正后再安裝導(dǎo)向支架（導(dǎo)向支架1），并保證導(dǎo)向方向及導(dǎo)向支架預(yù)留間隙符合設(shè)計要求。

（4）拆除膨脹節(jié)的裝運螺栓及擺式支架定位銷后，再進(jìn)行管道的預(yù)拉組焊，并注意按照設(shè)計要求調(diào)整擺式支架角度及導(dǎo)向板間隙。

（5）管道施工完畢后，拆除彈簧定位銷，并松開煙機(jī)入口法蘭，檢查管道對中情況。

（6）對預(yù)拉后安裝的支架，管道先做臨時支撐，但不得影響預(yù)拉對接。

（7）拉伸過程中應(yīng)不斷測量拉伸口的距離，確保管道拉伸均勻，管道預(yù)拉要對稱用力。

（8）管道施工前，一定要認(rèn)真核對膨脹節(jié)鉸鏈板的安裝方位，導(dǎo)向支架和彈簧支吊架的安裝方位，一旦方位裝錯，會導(dǎo)致膨脹節(jié)，彈簧或?qū)蛑Ъ苁А?/p>

結(jié)語

本文討論了大型催化裂化裝置中煙機(jī)入口管道的配管設(shè)計方法，支架設(shè)置，施工過程中的注意事項。分析了高溫條件下管道強(qiáng)度降低、熱變形增大以及腐蝕介質(zhì)條件下，管道材料的選取、管系柔性設(shè)計、管道支吊架和膨脹節(jié)的布置等問題。同時，本文還提出了煙氣管道安裝時應(yīng)注意的問題，對以后進(jìn)一步優(yōu)化大型煉化裝置的配管設(shè)計有著一定的意義。

[1]陳俊武.催化裂化工藝與工程（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2005.

[2]中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司.石油化工設(shè)備設(shè)計便查手冊（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2007.