丙烷脫氫裝置金屬膨脹節(jié)的設(shè)計研究

廖 強(qiáng)，倪 明

（中建安裝工程有限公司，江蘇 南京 210049）

丙烷脫氫裝置金屬膨脹節(jié)的設(shè)計研究

廖 強(qiáng)，倪 明

（中建安裝工程有限公司，江蘇 南京 210049）

本文結(jié)合工程實際，從金屬膨脹節(jié)的合理布置、波紋管材料的科學(xué)選用以及結(jié)構(gòu)設(shè)計三個方面，詳細(xì)闡述了50萬t·a-1丙烷脫氫制丙烯裝置中，高溫管系金屬膨脹節(jié)的設(shè)計要點，以從根本上防止和減少膨脹節(jié)失效的發(fā)生，保證丙烷脫氫制丙烯裝置中高溫管道系統(tǒng)的長周期安全平穩(wěn)運行。

丙烷脫氫裝置；金屬膨脹節(jié)；管道應(yīng)力

CBI LUMMUS的丙烷脫氫制丙烯裝置（簡稱PDH裝置），其工藝采用臥式固定床反應(yīng)器和Cr2O3-Al2O3催化劑將丙烷脫氫轉(zhuǎn)化為丙烯。50萬t·a-1的PDH裝置，反應(yīng)工段由8臺反應(yīng)器平行布置組成，按循環(huán)方式操作，使物料實現(xiàn)連續(xù)不間斷流動。PDH裝置的反應(yīng)區(qū)主要包括原料烴進(jìn)出口管道系統(tǒng)、催化劑再生熱空氣管道系統(tǒng)以及反應(yīng)器抽真空管道系統(tǒng)等三大管道系統(tǒng)。這些管道系統(tǒng)具有操作溫度高、壓力低、管徑大的特點，通過自然補(bǔ)償?shù)姆椒y以滿足管道熱膨脹的要求，需采用金屬膨脹節(jié)來吸收管系的熱位移[1]。

PDH裝置反應(yīng)區(qū)使用的金屬膨脹節(jié)大約140個，其中涉及多種不同結(jié)構(gòu)類型的膨脹節(jié)，科學(xué)合理地設(shè)計這些膨脹節(jié)，對于保證整個PDH裝置的長周期安全平穩(wěn)運行具有十分重要的意義。本文結(jié)合工程實際，借鑒以往裝置的設(shè)計經(jīng)驗，從膨脹節(jié)的布置、波紋管選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計三方面，介紹PDH裝置金屬膨脹節(jié)的特點。

1 膨脹節(jié)的布置

丙烷脫氫反應(yīng)器工藝物料進(jìn)出口管線是PDH裝置的關(guān)鍵管線之一。新鮮的丙烷原料和回收利用的丙烷一起經(jīng)加熱爐升溫至593℃，經(jīng)進(jìn)料總管由反應(yīng)器頂部進(jìn)入，丙烷在催化劑的作用下進(jìn)行脫氫反應(yīng)得到丙烯，高溫反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)底部集合管輸送到蒸汽發(fā)生器進(jìn)行熱量回收。反應(yīng)區(qū)中的8臺臥式反應(yīng)器并排布置，反應(yīng)器之間相隔一定的距離，裝置操作時每臺反應(yīng)器都要經(jīng)歷脫氫、再生、吹掃抽真空的循環(huán)過程。8臺反應(yīng)器中3臺進(jìn)行脫氫操作時，另外3臺進(jìn)行催化劑再生操作，還有2臺進(jìn)行吹掃并抽真空，一個完整的循環(huán)過程歷時24min。為了讓工藝進(jìn)出口總管在反應(yīng)器處于不同操作工況的情況下，仍然能夠受熱均勻，始終保持在一恒定溫度，管道布置需滿足一定要求，其典型布置如圖1所示。

圖1 丙烷進(jìn)料管線膨脹節(jié)布置圖

從圖1中可看到，控制反應(yīng)器連續(xù)切換的液壓閥直接與反應(yīng)器設(shè)備口對接。在連續(xù)操作情況下，每臺反應(yīng)器的一個完整循環(huán)只耗時24min，在管道外保溫條件良好的情況下，如此短的時間，管道系統(tǒng)的熱量損失有限，避免了不同管段間產(chǎn)生溫差的可能性，基本能保證整個管線溫度恒定不變，還可以有效地避免各種復(fù)雜的工況組合。每2臺反應(yīng)器之間的管段布置2個開長圓孔鉸鏈?zhǔn)脚蛎浌?jié)，該膨脹節(jié)的特點是工作時既可以繞銷軸轉(zhuǎn)動變形，也可以沿軸向壓縮或拉伸。丙烷進(jìn)料總管上共布置18個（SP-07019～SP-07027，SP-07029～SP-07037），通過鉸鏈膨脹節(jié)的協(xié)調(diào)變形，可吸收反應(yīng)器不同操作工況下豎直方向的熱位移差，兩膨脹節(jié)之間管段的軸向熱位移靠膨脹節(jié)的壓縮變形吸收。

由于開長圓孔的鉸鏈組件不能承受波紋管產(chǎn)生的盲板力，因此必須在總管兩端設(shè)置主固定點，用于承受膨脹節(jié)產(chǎn)生的盲板推力[2]。為了增加整個管系的穩(wěn)定性，防止膨脹節(jié)受壓失穩(wěn)，在進(jìn)出反應(yīng)器管口的豎直管上分別設(shè)置了導(dǎo)向約束。應(yīng)用基于有限元理論的分析軟件CaesarⅡ?qū)υ摴艿老到y(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力計算，結(jié)果表明該管系走向合理，膨脹節(jié)布置方案正確有效，管道應(yīng)力和設(shè)備管口載荷均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

2 波紋管材質(zhì)選擇

波紋管是金屬膨脹節(jié)的核心組成部分，其壁厚遠(yuǎn)比相連管道壁厚要薄，是整個膨脹節(jié)最薄弱的環(huán)節(jié)，因此波紋管的選材對于保證膨脹節(jié)的正常使用至關(guān)重要[3]。PDH裝置反應(yīng)區(qū)工藝管線工作介質(zhì)溫度高，物料在高溫情況下容易結(jié)焦，加上裝置現(xiàn)場空氣環(huán)境中氯離子含量高，因此在膨脹節(jié)設(shè)計時，必須考慮波紋管材料的耐高溫、耐腐蝕性能。

反應(yīng)區(qū)工藝管線的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼321H，通常情況下，波紋管材料和主管材質(zhì)相同即可，但由于該裝置現(xiàn)場氣候條件特殊，321H奧氏體不銹鋼有發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕的風(fēng)險，故對波紋管材料進(jìn)行升級。目前大型石油化工裝置中，常用的耐高溫、耐腐蝕波紋管材料有Incone 1625、Incoloy 800、Incoloy 800H和Incoloy 825等合金[4]，其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分見表1。Incone 1625合金是鎳基Cr-Ni-Mo高溫合金，加入了穩(wěn)定化元素Nb，主要應(yīng)用于含硫化物、氯離子等工藝介質(zhì)的管道上，使用溫度在650℃以下時各種機(jī)械性能良好，同時能抵抗氯離子產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂。和Incoloy 800系合金相比，Incone 1625中合金元素Cr、Ni含量高，因此價格也相對高。Incoloy 800合金是鐵基高溫耐蝕合金，廣泛用于高溫、腐蝕環(huán)境，使用溫度一般不超過593℃，其耐蝕性比一般的奧氏體不銹鋼要好，但相對而言，其耐晶間腐蝕的敏感性更大。Incoloy 800H合金相比Incoloy 800提高了碳組分的含量，其高溫強(qiáng)度性能更好，使用的溫度極限為850℃，在750℃附近使用最能發(fā)揮材料的機(jī)械性能。相比以上各種材料的使用性能和經(jīng)濟(jì)性，波紋管采用Incoloy 825合金是較理想的選擇。

從表1中可看出，Incoloy 825的碳含量較低，較高的Cr、Ni、Ti和適量的Mo、Cu使其具有良好的耐氯離子應(yīng)力腐蝕能力和耐點蝕、縫隙腐蝕性能，同時在550℃以下溫度其耐晶間腐蝕能力也是良好的。Incoloy 825板材的供貨狀態(tài)要求為固溶處理，但由于波紋管液壓成型過程中必然發(fā)生塑性變形，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生很高的殘余應(yīng)力，為應(yīng)力腐蝕創(chuàng)造了條件，因此波紋管在成型后必須進(jìn)行整體熱處理。

表1 各種耐高溫合金的化學(xué)成分 /W%

3 膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 雙層結(jié)構(gòu)

PDH裝置反應(yīng)區(qū)物料管線上的膨脹節(jié)都采用雙層帶報警結(jié)構(gòu)，雙層波紋管的每一層都可獨立承受工作介質(zhì)的設(shè)計壓力和溫度，每一層最小壁厚為1.6mm，在兩層波紋管之間引出一段3/4”的小管作為報警裝置接口，波紋管之間充特定壓力的惰性氣體。當(dāng)內(nèi)層泄漏時報警裝置會顯示，提醒操作人員或檢修部門準(zhǔn)備購買備件，在此期間外層波紋管可繼續(xù)使用，直到裝置正常停工檢修時再更換。波紋管通過機(jī)械脹壓或液壓的方式制造成型，只允許有沿徑向的焊縫，焊縫的強(qiáng)度、物理屬性和厚度需與母材一致，徑向焊縫需進(jìn)行100%射線探傷檢測。波紋管與膨脹節(jié)主體管段焊接之前，兩層波紋管需通過電阻焊的方式焊為一體，如圖2所示。波紋管與短管連接的環(huán)向角焊縫需進(jìn)行100%滲透檢查。

3.2 內(nèi)隔熱及吹掃結(jié)構(gòu)

PDH裝置反應(yīng)區(qū)工藝管線的設(shè)計溫度為649℃，但該管道系統(tǒng)上的膨脹節(jié)均設(shè)計有內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，以確保波紋管在正常使用條件下，金屬壁溫不超過320℃，短期最高溫度不超540℃，并將這些參數(shù)作為波紋管的設(shè)計條件。內(nèi)隔熱材料必須嚴(yán)格控制氯離子含量，避免裝置開停車時吸潮使材料內(nèi)所含的氯離子被淋洗出來。除設(shè)計有內(nèi)隔熱外，襯里結(jié)構(gòu)對此類膨脹節(jié)的安全使用也十分重要，內(nèi)襯可以減小流體對膨脹節(jié)的沖刷效應(yīng)，內(nèi)襯與膨脹節(jié)的焊接結(jié)構(gòu)和質(zhì)量直接關(guān)系到整個膨脹節(jié)的使用效果。從國內(nèi)外同類裝置的實踐經(jīng)驗來看。內(nèi)襯端部僅通過角焊的方式搭接在膨脹節(jié)上的這種結(jié)構(gòu)不牢固，使用過程中內(nèi)襯容易脫落，應(yīng)采用如圖3所示的焊接結(jié)構(gòu)，即內(nèi)襯端部反向坡口與短管內(nèi)壁全焊透，加中間塞焊的方式。

為防止工藝物料沿內(nèi)隔熱層的間隙滯留在波紋管內(nèi)部，避免工藝介質(zhì)在局部高溫條件下在波紋管內(nèi)壁發(fā)生結(jié)焦，該管道系統(tǒng)上的膨脹節(jié)都設(shè)計了吹掃結(jié)構(gòu)。2”的環(huán)形吹掃總管上沿環(huán)向均布有8根3/4”的分支管，每根分支管水平管段上均設(shè)有孔板，有利于吹掃介質(zhì)分布均勻。分支管應(yīng)具備足夠柔性，用于吸收膨脹節(jié)主體與吹掃總管之間的熱膨脹差，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。進(jìn)反應(yīng)器物料管線上的膨脹節(jié)吹掃介質(zhì)為丙烷，反應(yīng)器出口工藝管線膨脹節(jié)則使用蒸汽作為吹掃介質(zhì)，吹掃速度均不宜過快。

圖4 單式鉸鏈型金屬膨脹節(jié)示意圖

3.3 附件結(jié)構(gòu)

高溫區(qū)膨脹節(jié)用于承受內(nèi)壓產(chǎn)生的盲板推力的結(jié)構(gòu)附件也需特殊設(shè)計。這類結(jié)構(gòu)如鉸鏈板、萬向鉸鏈等必須采用“懸浮”式連接，避免承壓結(jié)構(gòu)件直接與膨脹節(jié)本體焊接。圖4中7～10即為懸浮式承壓組件，浮動環(huán)（8）通過銷軸與剪切環(huán)管（7）相連，剪切環(huán)管以環(huán)向角焊的方式與膨脹節(jié)本體連接，銷軸（9）沿環(huán)向均布在剪切環(huán)管上。該結(jié)構(gòu)與普通鉸鏈?zhǔn)脚蛎浌?jié)相比，有利于將推力荷載沿膨脹節(jié)環(huán)向均勻分布，有效消除了膨脹節(jié)本體局部應(yīng)力集中。

4 總結(jié)

本文以PDH裝置高溫區(qū)工藝管線上的金屬膨脹節(jié)為研究對象，從膨脹節(jié)的布置、波紋管選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計三方面，對此類裝置膨脹節(jié)的設(shè)計要點進(jìn)行了討論，總結(jié)如下：

1）根據(jù)PDH裝置的工藝特點，反應(yīng)區(qū)操作工況復(fù)雜，管線溫度高、管徑大，合理布置膨脹節(jié)位置，正確選擇膨脹節(jié)型式是解決PDH裝置高溫管線應(yīng)力計算的關(guān)鍵。

2）考慮裝置現(xiàn)場氣候條件的特殊性，為避免波紋管產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，將波紋管材料由不銹鋼321H升級為Incoloy 825合金。波紋管液壓成型后進(jìn)行整體熱處理，消除殘余應(yīng)力，提高波紋管的使用壽命。

3）PDH裝置高溫區(qū)膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有許多特殊性。波紋管雙層帶報警結(jié)構(gòu)、內(nèi)隔熱帶吹掃結(jié)構(gòu)和“懸浮”式承壓組件等措施，從各個方面提升了膨脹節(jié)的安全性能。

綜上所述，丙烷脫氫裝置高溫區(qū)金屬膨脹節(jié)的設(shè)計有許多特點，在設(shè)計時不僅要滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度、剛度及疲勞壽命的要求，還應(yīng)考慮高溫、腐蝕、環(huán)境等因素，對膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對性的設(shè)計，提高其安全可靠性，為PDH裝置的長周期運行提供保障。

[1] 張德姜，趙勇.石油化工工藝管道設(shè)計與安裝[M].北京：中國石化出版社，2001.

[2] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析（第2版）[M].北京：中國石化出版社，2009.

[3] 李永生，李建國.波形膨脹節(jié)實用技術(shù)-設(shè)計,制造與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[4] 邵以華，汪建羽.催化裂化裝置用特殊膨脹節(jié)的選材 與設(shè)計[J].化工設(shè)備與管道，2009，46(6)：44-47.

Design and Research of Metal Expansion Joint in Propane Dehydrogenation Unit

LIAO Qiang, NI Ming
(China Construction Installation Engineering Co. Ltd., Nanjing 210049, China)

TQ 050.7

B

1671-9905(2017)08-0060-03

作者介紹：廖強(qiáng)（1983-），男，碩士，畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)，主要從事石油化工設(shè)計工作。Tel：025-56663765，E-mail: liaoq2006@126.com

2017-05-10