異丁烯裝置冷箱配管設(shè)計(jì)初探

邱玉琳(中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

異丁烯裝置冷箱配管設(shè)計(jì)初探

邱玉琳(中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

以山東玉皇異丁烯裝置冷箱的配管設(shè)計(jì)為實(shí)例，綜合闡述了低溫管道的特點(diǎn)及其配管設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與要點(diǎn)。冷箱內(nèi)部換熱器及其管口由鎂鋁合金制成，管口許用應(yīng)力及力矩較小。因此冷箱配管設(shè)計(jì)要求管道有較好的柔性，并應(yīng)通過(guò)詳細(xì)的應(yīng)力分析，合理的設(shè)置支吊架。同時(shí)還應(yīng)對(duì)易振動(dòng)的兩相流管道進(jìn)行有效的固定。

冷箱；低溫；材料；應(yīng)力；配管設(shè)計(jì)

1 冷箱特性

山東玉皇化工異丁烯裝置是一種將原料異丁烷在催化劑作用下，通過(guò)脫氫反應(yīng)制取異丁烯的新型化工裝置。異丁烯裝置內(nèi)的丙烯制冷部分，設(shè)有丙烯壓縮機(jī)，為裝置內(nèi)的低溫分離部分提供冷量。冷箱即是異丁烯裝置低溫分離部分的核心設(shè)備，冷箱外形如圖1所示。

圖1.山東玉皇異丁烯裝置冷箱外形圖

近年來(lái)冷箱國(guó)產(chǎn)化程度越來(lái)越高，本文所述異丁烯裝置中所用冷箱即為杭氧生產(chǎn)。該冷箱主要由外殼和內(nèi)部鎂鋁合金制板翅式換熱器兩部分組成。板翅式換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域用途非常廣泛。同時(shí)板翅式換熱器也有明顯缺陷，比如換熱翅片間流道很小，極易堵塞且清理維護(hù)困難。所以，流入冷箱的物料必須是較為清潔的流體。除外殼外，冷箱內(nèi)部構(gòu)件均為鎂鋁合金制成，包括接口法蘭。鎂鋁合金質(zhì)地較軟，冷箱管口所能承受應(yīng)力和力矩也遠(yuǎn)小于同口徑的鋼制設(shè)備管口。了解冷箱特性，特別是冷箱主體材料及內(nèi)部構(gòu)造，是做好冷箱配管設(shè)計(jì)的前提條件。

2 冷箱布置要求

GB50235-2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》和SH3501-2011《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》將設(shè)計(jì)溫度低于-29℃的管道定義為低溫管道。ASME B31.3規(guī)范中將-29℃作為管道設(shè)計(jì)的一個(gè)控制指標(biāo)，并根據(jù)管道實(shí)際低溫工況和選用的材料及其壁厚等情況來(lái)確定是否應(yīng)按低溫工況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收[1-2]。

圖2.冷區(qū)平面布置圖

與冷箱相連接的管道多為低溫管道（設(shè)計(jì)溫度為-29℃至-120℃），為減小投資，應(yīng)將與冷箱相連接的低溫設(shè)備集中布置，盡量減少低溫管道的總長(zhǎng)度。冷區(qū)平面布置圖如圖2所示。低溫設(shè)備集中布置一方面可以減少投資，另一方面也可以降低保冷管線的保冷面積，減小冷量損失。除了滿足上述要求外，根據(jù)異丁烯裝置冷箱設(shè)備自身的特點(diǎn)，配管設(shè)計(jì)中還應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面。

2.1 冷箱工藝管道特點(diǎn)

異丁烯裝置冷箱的管口數(shù)量較多，且管口間距很小；此外與冷箱相連的管道，管內(nèi)工藝介質(zhì)溫度很低，所以這些低溫管道都具有較厚的保冷層；加上冷箱入口處的多個(gè)過(guò)濾器和冷箱除冰用的注防凍液線等公用工程管道，造成冷箱周圍管道非常密集。在冷箱周圍狹小的空間內(nèi)合理的布置眾多工藝管道和公用工程管道，并預(yù)留相應(yīng)的操作和檢修空間，是冷箱配管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。冷箱是實(shí)現(xiàn)相關(guān)工藝介質(zhì)冷量交換的設(shè)備，其主要作用是給相關(guān)工藝介質(zhì)提供冷量。

根據(jù)工藝包的描述，冷箱的布置應(yīng)優(yōu)先滿足其與丙烯壓縮機(jī)一級(jí)入口分液罐之間的熱虹吸要求。流入冷箱內(nèi)的工藝介質(zhì)為液態(tài)飽和烴類，飽和液體烴類輸送過(guò)程中在管阻壓力降和受熱的雙重作用下會(huì)迅速汽化，從而產(chǎn)生兩相流。出現(xiàn)兩相流動(dòng)時(shí)，管道流量減小，阻力增大，如氣化率高還可能在管道內(nèi)產(chǎn)生液擊現(xiàn)象[2]。兩相流管道內(nèi)氣相和液相的密度相差很大，這樣的流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)易導(dǎo)致管道發(fā)生振動(dòng)。因此冷箱配管設(shè)計(jì)在滿足工藝要求條件下，應(yīng)做好低溫管線的保冷措施，減少冷量損失；在滿足管道柔性的前提下減少低溫管道的管阻壓降，盡量避免低溫管道出現(xiàn)袋型配管。

2.2 低溫管道及閥門的布置

低溫管道常用的材料是低溫沖擊韌性較好的低溫碳鋼，奧氏體不銹鋼等[3-4]。低溫管道材料價(jià)格較高，出于控制裝置建設(shè)成本及節(jié)能環(huán)保的考慮，在滿足管道柔性的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少低溫管道的長(zhǎng)度。和普通閥門相比，低溫管道所使用的閥門（止回閥除外）具有一些特殊結(jié)構(gòu)。低溫閥門閥柄較長(zhǎng)，閥柄內(nèi)部有一段具有一定壓力的氣柱，這一氣柱可避免閥體內(nèi)的低溫液體與外部水汽產(chǎn)生直接接觸，能夠較大幅度的減少低溫液體與外部介質(zhì)之間產(chǎn)生的熱交換，進(jìn)而造成的冷量損失。同時(shí)，也可以避免閥桿因?yàn)闇囟冗^(guò)低，水汽在閥桿處冷凝結(jié)冰，影響正常操作。因此，為了保證閥門的正常操作及降低低溫管道的冷量損失，要求管道內(nèi)部為液體的低溫閥門閥體水平安裝，閥柄豎直向上或最小45°向上。低溫調(diào)節(jié)閥的模頭尺寸較大，需要很大的檢修空間。考慮到操作和檢修等因素，低溫管線的調(diào)節(jié)閥組水平布置較為合適，將切斷閥、調(diào)節(jié)閥及旁通閥布置在同一高度水平面。此外，帶泄壓孔的低溫閘閥安裝時(shí)應(yīng)特別注意泄壓孔的方向。

冷箱內(nèi)部的翅片式換熱器流道窄、易堵塞，對(duì)流入的工藝介質(zhì)清潔度有很高的要求。因此所有冷箱的入口管線都應(yīng)設(shè)置過(guò)濾器。冷箱結(jié)構(gòu)緊湊，管嘴間距較小，應(yīng)綜合考慮操作、檢修以及管道柔性的要求成列設(shè)置過(guò)濾器，合理利用空間。為滿足管道水壓試驗(yàn)、吹掃及冷箱氮?dú)夥庋b等特殊要求，在冷箱進(jìn)出口處均應(yīng)設(shè)置可拆卸短節(jié)，以備在需要時(shí)設(shè)置跨線。冷箱入口管線還應(yīng)設(shè)置注甲醇管線，如冷箱內(nèi)部結(jié)冰造成翅片式換熱器堵塞，可往入口處注入甲醇除冰。

2.3 冷箱配管支架設(shè)置及應(yīng)力要求

冷箱管口及內(nèi)部換熱器為鎂鋁合金6061-T6制成，這一材料具有良好的機(jī)械加工性能和抗腐蝕性能，但其質(zhì)地較軟、硬度和剛度小、韌性差，約為同口徑下鋼制管口許用力和力矩的1/3[5]。冷箱鎂鋁合金管口通過(guò)不銹鋼法蘭與工藝管道連接。因?yàn)槔湎涔芸谠S用力及力矩都非常小，所以在滿足無(wú)袋型配管的情況下應(yīng)盡量增加管線的柔性，距冷箱管口最近的幾個(gè)支架考慮設(shè)置為彈簧支架，同時(shí)在距離管口較遠(yuǎn)處考慮通過(guò)管系自然補(bǔ)償以降低二次應(yīng)力對(duì)冷箱管口的作用。

由以上論述可知，冷箱管口許用應(yīng)力很低；同時(shí)考慮到異丁烯裝置低溫分離部分與乙烯裝置低溫分離部分工藝條件的相似性，為保護(hù)冷箱設(shè)備，異丁烯裝置冷箱配管施工應(yīng)滿足管口無(wú)應(yīng)力要求。冷箱管口無(wú)應(yīng)力配管施工指的是，在操作狀態(tài)下，冷箱管口沒(méi)有因?yàn)槭┕ざa(chǎn)生的附加應(yīng)力和力矩。

低溫管道溫度較低，管線的應(yīng)力計(jì)算主要是通過(guò)對(duì)管線柔性的分析來(lái)校核管道在操作溫度和設(shè)計(jì)溫度下的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，使其低于材料的許用應(yīng)力；同時(shí)校核操作溫度下管道對(duì)設(shè)備管口的力和力矩不超過(guò)許用范圍[6]。為保證冷箱設(shè)備的正常運(yùn)行和操作，應(yīng)將冷箱內(nèi)與板翅式換熱器管口相連的每一根管道都進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。應(yīng)力分析的內(nèi)容除冷箱外的低溫管道自身應(yīng)力問(wèn)題外，還應(yīng)考慮冷箱內(nèi)鋁制接管線性膨脹對(duì)管口應(yīng)力的影響。在設(shè)置管道支架時(shí)應(yīng)盡量避免因?yàn)橹Ъ茉O(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致鋁制管口法蘭的變形。

根據(jù)乙烯裝置冷箱配管無(wú)應(yīng)力配管施工的經(jīng)驗(yàn)，通常冷箱無(wú)應(yīng)力配管施工有兩種方法[5]。第一種是從冷箱管口開(kāi)始安裝管道，管道向遠(yuǎn)處延伸，直至管道全部安裝完成。在這管道安裝方式下，冷箱管口安裝所產(chǎn)生的應(yīng)力難以得到有效控制，最后階段需要二次調(diào)校才能滿足冷箱管口無(wú)應(yīng)力配管要求，調(diào)校需要經(jīng)過(guò)較為繁瑣的應(yīng)力計(jì)算且需要較長(zhǎng)的時(shí)間。第二種施工方法是首先從遠(yuǎn)離冷箱管口管道開(kāi)始朝冷箱管口施工，然后安裝冷箱本體法蘭口管段，最后一個(gè)焊口設(shè)置在距離冷箱管口較近處，通過(guò)最后一道焊縫施焊時(shí)管道應(yīng)力的自調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)管口無(wú)應(yīng)力配管。這一施工方式可以避免管道應(yīng)力的二次較調(diào)，避免了施工的重復(fù)并且減少了人力成本。

冷箱進(jìn)出口管線多為兩相流管線，兩相流在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)隨著介質(zhì)流速、氣液兩相介質(zhì)密度以及液相表面張力的變化而變化。因?yàn)楣艿纼?nèi)輸送的工藝介質(zhì)氣相和液相的密度差別很大，所以這類管道很容易產(chǎn)生振動(dòng)。為使低溫分離部分的設(shè)備和管道安全平穩(wěn)的運(yùn)行，應(yīng)對(duì)此類兩相流管道進(jìn)行有效的固定。固定這類兩相流管道的支架要求具有較大的剛度和強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

山東玉皇異丁烯裝置所用工藝是從國(guó)外引進(jìn)的全新工藝，國(guó)內(nèi)沒(méi)有可供參考的配管設(shè)計(jì)。本文結(jié)合異丁烯裝置低溫分離部分的特點(diǎn)并借鑒國(guó)內(nèi)外乙烯裝置冷箱配管設(shè)計(jì)的成熟經(jīng)驗(yàn)，闡述了異丁烯裝置冷箱配管設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。異丁烯裝置冷箱操作溫度很低，因此配管設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到低溫管道的保冷、低溫閥門的操作與檢修、低溫管道兩相流等諸多因素，合理的布置低溫管道。冷箱設(shè)備內(nèi)部翅片式換熱器及管口均由鋁鎂合金制成，因此管口許用受力和力矩都很小，配管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分利用管道自然補(bǔ)償以降低冷箱管口受力；通過(guò)詳細(xì)的應(yīng)力分析，合理的設(shè)置剛性支架和彈簧支架；此外與冷箱管口相連的管道，應(yīng)做到無(wú)應(yīng)力配管施工，確保應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]張海紅,胡曉明,程久歡.LNG低溫管道材料研究[J].化工科技市場(chǎng),2010,33(2):32-41.

[2]楊慶朝.乙烯裝置中低溫材料的選用及特點(diǎn)[J].乙烯工業(yè),2007,19(4):38-41.

[3]劉仲亮.乙烯裝置中低溫管道設(shè)計(jì)[J].石化技術(shù),2002,9 (4):235-237.

[4]張愛(ài)華.大型乙烯裝置裂解氣深冷系統(tǒng)設(shè)備和管道布置研究[J].石油化工設(shè)計(jì),2011,28(3):40-42.

[5]伍凌梅.冷箱的配管設(shè)計(jì)[J].乙烯工業(yè),2002,14(2):43-46.

[6]張德姜，王懷義，劉紹葉主編.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)第一篇.設(shè)計(jì)與計(jì)算（第四版），北京.2009.

姓名：邱玉琳（1985-），性別男，民族漢，籍貫江西南康，職務(wù)/職稱：工程師，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：從事石油化工管道設(shè)計(jì)工作。