延遲焦化裝置焦炭塔頂油氣管線的管道設計

陳江波中石化洛陽工程有限公司 洛陽471003

目前，提高重油轉(zhuǎn)化深度、增加輕質(zhì)油品產(chǎn)量的主要工藝技術是延遲焦化、渣油催化裂化和渣油加氫處理等。由于延遲焦化工藝對原料的適應性強、柴汽比高、投資少、設計和建設周期短、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)被廣泛采用。

延遲焦化工藝是將減壓渣油、減粘渣油、催化油漿、溶劑抽提的半瀝清等重質(zhì)原油經(jīng)熱裂化轉(zhuǎn)化為氣體、輕質(zhì)、中質(zhì)餾分油和焦炭的熱加工過程。具體是將重質(zhì)油在加熱爐中加熱，采用高的流速及高的熱強度，使油品在加熱爐中短時間內(nèi)達到結焦反應所需要的溫度，然后迅速離開加熱爐進入焦炭塔，從而使結焦反應基本不在加熱爐中進行，而延遲到焦炭塔中進行的加工工藝。將這些氣體、輕質(zhì)、中質(zhì)餾分油從焦炭塔頂轉(zhuǎn)移到分餾塔進行分餾的管線便是焦炭塔頂油氣管線，本文結合某公司1400kt/a延遲焦化裝置(一爐兩塔)，對焦炭塔頂油氣管線的管道設計中應當注意的問題進行分析。

1 焦炭塔、焦化爐及分餾塔的平面布置

在進行延遲焦化裝置的平面布置設計時，要結合已有的地形情況，處理好焦炭塔、加熱爐及分餾塔的位置關系。由于原料在焦化加熱爐到焦炭塔的管道中極易結焦，焦化加熱爐與焦炭塔的布置可以不受防火間距的限制(國家標準GB 50160－2008第5.2.2條)，在滿足操作、檢修要求的情況下，布置得越緊湊越好;分餾塔也應盡量靠近焦炭塔，以縮短油氣管線的長度。加熱爐前副管橋與焦炭塔及主管橋平行布置，分餾塔布置在焦炭塔附近，不僅縮短了焦炭塔進料線和塔頂油氣管線的長度，減少了介質(zhì)在管道內(nèi)結焦的可能性，同時也減少了合金鋼管道的用量，節(jié)省了投資。具體布置見圖1。

圖1 延遲焦化一爐兩塔布置圖

2 焦炭塔頂油氣管線的材料選用

延遲焦化裝置所加工的重質(zhì)原油多為高硫原油，而塔頂油氣管線的操作溫度較高，一般最高溫度大于425℃。當溫度為230～330℃時，油氣中的硫化物分解生成H2S，開始對管道產(chǎn)生腐蝕;隨著溫度進一步升高，當溫度為330～400℃時，H2S開始分解為H2和S，生成的S與Fe反應生成FeS覆蓋在管道內(nèi)表面形成一層保護膜，防止設備發(fā)生進一步腐蝕。但在有酸存在的情況下(如環(huán)烷酸)，酸可以與FeS發(fā)生反應，破壞保護膜，裸露的鋼材繼續(xù)發(fā)生腐蝕，故環(huán)境中酸的存在強化了硫化物對管道的腐蝕;當溫度為425～430℃時，高溫硫?qū)μ间摴艿栏g速率最大;當溫度大于480℃時，硫化物已完全分解，腐蝕速率反而下降［1］。焦炭塔頂油氣管線的操作溫度屬于高溫硫?qū)μ间摴艿栏g最強的溫度范圍，在高溫硫腐蝕環(huán)境下，最有效的措施是提高管材的抗腐蝕性能，一般采用耐蝕合金材料。該材料抗高溫硫腐蝕的能力主要隨材料中鉻含量的增加而增強。在還原性的含硫介質(zhì)中，鋼材中Cr質(zhì)量分數(shù)為15%～20%，可以大幅增強鋼材的抗硫腐蝕能力，但鋼材的造價會隨著Cr含量的增加而顯著增加。由于塔頂油氣管線不會發(fā)生高溫環(huán)烷酸腐蝕，國內(nèi)一般使用價格低廉的12Cr5Mo耐熱鋼。該合金鋼具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性和組織穩(wěn)定性;熱強性能較高，且工藝性能良好。

閥門選用高溫耐磨球閥，以防止焦炭粉造成閥門失靈。由于該閥門操作頻繁，而且管徑大，在投資和其他條件允許的情況下，采用電動程控執(zhí)行機構，以減輕工人勞動強度和提高閥門的安全性，見圖2。

安裝時閥體的高壓端應在各支管的匯合端，不得裝反。這種安裝，不僅能有效切斷油氣、避免造成事故，而且還可以延長閥門的使用壽命。

保溫材料選用導熱系數(shù)小，并且耐高溫的硅酸鹽制品，以減少熱損失，并延長使用壽命。

圖2 高溫耐磨球閥布置圖

3 焦炭塔頂油氣管線的管道設計與應力分析

焦炭塔頂油氣管線的管道設計應按照盡量短而直的原則，以減少彎頭數(shù)量和縮短管道長度，減小管內(nèi)壓力降和防止介質(zhì)在管內(nèi)結焦。但是，該管系管徑較大(本裝置為DN600)，操作為變溫操作(常溫約425℃)，介質(zhì)流速較大，操作介質(zhì)頻繁變化。焦炭塔除正常操作工況外，還有小吹氣、大吹氣、小給水、大給水、油氣預熱等多種工況，而且，由于兩塔頻繁切換操作，因此整個管系的工況非常復雜，管系的布置應該進行詳細的、多工況的應力分析［2］。焦化裝置焦炭塔及塔頂油氣管線的操作工況見表1。

表1 焦炭塔及塔頂油氣管線的操作工況(℃)

管系的應力分析采用由美國COADE公司開發(fā)的CAESARⅡ軟件進行。該軟件是以梁單元模型為基礎的有限元分析程序，可以進行靜力和動力分析，可以根據(jù)ASME B31系列和其它國際標準進行應力校核，還可以根據(jù)WRC、API、NEMA標準進行靜設備和動設備的受力校核。

焦炭塔頂油氣管線復雜的操作工況使該管系不但存在材料熱脹引起的管道應力問題，還存在不同介質(zhì)的流動狀態(tài)引起的管道振動問題。在以往的焦化裝置設計中，塔頂油氣管線在焦炭塔頂部附近設置立式“π”型補償器，見圖3，用于吸收焦炭塔和其油氣管線之間因溫度和材料不同而引起的塔頂油氣管線和焦炭塔之間的熱膨脹量的差值，以減小管道自身的受力及對焦炭塔管嘴的作用力。但從已建成的幾套裝置反饋的信息來看，架空的立式“π”型補償器容易發(fā)生振動。由于該油氣管道介質(zhì)為汽液混相，工況交替變化，而立式“π”型補償器處于高空架空狀態(tài)，其剛度很難用支架約束住，因此振動很難控制。隨著裝置處理量的增加，塔頂油氣管線尺寸也需要越來越大，但由于裝置布置的限制，立式“π”型補償器的結構尺寸則會受到限制，因此，管道的應力和設備管嘴的受力會越來越大，不能滿足管道和設備的受力要求，控制立式“π”型補償器處的振動也會越來越困難。這就要求油氣管道布置做進一步優(yōu)化。

圖3 焦炭塔頂油氣管線以往布置圖

本裝置采用在焦炭塔下部的框架平臺EL+25000處設置水平“∏”型補償器并在塔頂油氣出口管嘴附近做了一個相當于水平“∏”型的拐彎見圖4，將吸收膨脹的“∏”型彎放在了焦炭塔下部的框架平臺處，不但能有效的吸收油氣管線與焦炭塔之間由溫差引起的熱脹變形，而且水平“∏”型補償器通過框架梁支撐，接觸面加大，管系的剛度得到加強，振動便會減弱。當油氣管線直徑增大時，框架平臺處的水平“∏”型補償器可適當加寬加長，管系的熱脹及振動就會很容易得到控制。而塔頂油氣出口管嘴附近的拐彎也可以大幅減小塔頂油氣管嘴的受力，并且塔頂油氣管嘴處螺栓增加了預緊碟簧墊片。當螺栓擰緊時，該墊片將吸收的機械能轉(zhuǎn)化為勢能儲存在碟簧中，當設備由于溫度、壓力變化或機械振動導致螺栓預緊力松弛時，釋放勢能轉(zhuǎn)化為機械能，對螺栓的預緊力進行補償，使螺栓的預緊力始終保持在墊片密封所需要的預緊力范圍之內(nèi)。在一定程度上減少了由于焦炭塔冷熱交替運行工況，引起設備管嘴處螺栓出現(xiàn)應力松弛造成法蘭泄漏的可能，為裝置的長周期安全平穩(wěn)運行提供了有力保障，也減輕了工人的勞動強度。

圖4 焦炭塔頂油氣管線本裝置布置圖

4 焦炭塔頂油氣管線的支架設計

管道支架設計是管道設計的重要組成部分。在設計油氣管線的支架時，必須嚴格按照管道應力分析結果，綜合考慮，逐一工況校核支架在多種工況組合中的適用性。由于焦炭塔塔身高、位移量大，因此該管系塔頂附近的支架多為恒力彈簧支架。根據(jù)應力分析結果，靠近塔頂管嘴處設彈簧承重支架，以減小焦炭塔和管線熱脹量不一致對塔管嘴的作用力及減小支架對焦炭塔管嘴的反力。豎直管線的第一個支架也為彈簧承重支架，用以承受豎直管的重量。豎直管的下部在適當位置設導向支架，用以固定管線，防止晃動。

當焦炭塔的溫度高于油氣管線溫度時，管道向上位移，而焦炭塔的溫度低于油氣管線溫度時，油氣管線將以管道上的某一標高為臨界點，臨界點以上的管道向上位移，臨界點以下向下位移。根據(jù)應力分析結果，本裝置油氣管線的臨界點位于距管嘴以下約15m的地方，那么對位于臨界點以下的“∏”型補償器處支架的設計就應特別注意，在選用彈簧支架時，既要留出向上的位移空間，也要滿足向下的位移要求，這就需要向彈簧生產(chǎn)商提出特別要求，將彈簧的定位銷按設計要求進行特殊定位。

5 焦炭塔頂油氣管線的操作檢修措施及預制安裝

在設計該管道時，應充分考慮到該管系容易結焦、操作頻繁的特性，在經(jīng)常操作的地方須設置操作和檢修平臺，以方便操作和在線檢修(圖2)。同時還應在管道上適當設一些拆卸法蘭(如“∏型彎”頭處)，方便安裝及檢修;并在易結焦部位(塔頂)設置清焦法蘭和法蘭蓋，便于在線清焦時使用(圖3)。

該管道下料前應核實各管道組成件的實際結構尺寸，控制管道及閥組的總尺寸不變，合理利用直管段調(diào)整連接尺寸。預制時，應在直管段預留活口，以調(diào)節(jié)制造和施工帶來的誤差。安裝時先從焦炭塔管嘴開始安裝，敷設框架管道要注意保證垂直管道的垂直度。

6 高溫耐磨球閥的蒸汽密封管設計

高溫耐磨球閥在密封面和閥的盤根處需采取蒸汽密封和吹掃，防止閥內(nèi)密封面和盤根處結焦。而各處的吹掃蒸汽用量不同，為保證球閥密封面不結焦和減少蒸汽的消耗量，通過在用汽點的管道上安裝限流孔板來控制。在管道設計時，對各限流孔板編號加以區(qū)分，可成組安裝，但同時也需考慮操作方便和便于球閥的檢修。蒸汽主管應為專用管道，不能與管道吹掃蒸汽接在一起，以保證穩(wěn)定的壓力和足夠的用汽量。

7 結語

在焦炭塔頂油氣管線的設計過程中，以上所探討的問題相對比較典型、在設計過程中應加以重視，設計改進也是在不斷吸取已建成裝置的經(jīng)驗而獲得的。因此，只有在不斷總結及摸索中，管道設計的安全性、合理性、經(jīng)濟性及美觀性等因素才能更好的得到體現(xiàn)，才會做出精品工程。

1 杜榮熙，肖 翔.延遲焦化裝置大油氣管線減薄原因分析［J］.石油化工腐蝕與防護，2001，18(4):9－10.

2 王桂華.大型焦化裝置焦炭塔頂油氣管道的受力分析［J］.石油化工設備技術，2009，30(3):23－27.