尿素裝置中蒸汽夾套管設(shè)計和管件選用的探討

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素裝置的生產(chǎn)流程較為復雜，物料多為易結(jié)晶介質(zhì)，眾多管線需要進行伴熱設(shè)計。尿素裝置的伴熱形式有蒸汽夾套伴熱和蒸汽伴管伴熱，在環(huán)境溫度或工作溫度下，若沒有外部加熱會出現(xiàn)固化、凍結(jié)、黏度增加等現(xiàn)象，從而影響正常操作或造成停車。使用蒸汽伴管加熱不能滿足要求時，需要采用蒸汽夾套伴熱，夾套管伴熱的特殊性是其他伴熱形式無法替代的，其設(shè)計也是尿素項目管道設(shè)計的一大難點。

夾套管是一種在小口徑管道外套上同心大口徑套管的特殊管路，通過外管中的熱媒載體加熱內(nèi)管中的介質(zhì)。在尿素裝置中，夾套內(nèi)管用于輸送熔融尿液，其與外部套管的間隙內(nèi)流動著起保溫及加熱作用的蒸汽，通過蒸汽的循環(huán)來補充夾套內(nèi)管中的熔融尿液在輸送時的熱損失，通過對流完成熱交換，保持夾套內(nèi)管中的熔融尿液溫度相對恒定，從而完成對工藝介質(zhì)的輸送。

筆者根據(jù)尿素裝置設(shè)計的特點，結(jié)合自身工程經(jīng)驗，針對蒸汽夾套管設(shè)計和管件選用的要點進行探討。

1 尿素裝置蒸汽夾套管設(shè)計原則

1.1 工藝流程分析

在尿素生產(chǎn)的整個工藝流程中，涉及到蒸汽夾套管設(shè)計的流程為尿素的蒸發(fā)和造粒工序，其工藝流程如下：出精餾塔底部的尿素溶液經(jīng)液位槽液位控制閥減壓后送到閃蒸分離器的底部管口，此時壓力約為0.04MPa(a)，溫度由135 ℃降至91.6 ℃，閃蒸出相當一部分水、NH3和CO2。離開閃蒸分離器、濃度約為73%(w)的尿液流入尿液緩沖槽，再由尿液泵送入一段蒸發(fā)器中。在0.03 MPa(a)、130 ℃下被濃縮到約95.5%(w)的熔融尿素，一段蒸發(fā)器分離段分離出的尿液去二段蒸發(fā)器，經(jīng)過兩段蒸發(fā)后，尿液在0.003 3 MPa(a)、140 ℃下被濃縮為約99.7%(w)的熔融尿素，經(jīng)分離段分離后，熔融尿素由熔融尿素泵送往位于造粒塔頂部的旋轉(zhuǎn)噴頭進行造粒，造粒塔底得到的成品顆粒尿素由膠帶輸送機送至包裝樓進行包裝。

熔融尿素泵出口管線裝有液位調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)泵入口管線的液位。蒸發(fā)工序開車時，在還未達到所要求的尿液濃度之前，濃縮的尿液通過三通閥返回到尿液槽。為了保證熔融尿素泵出口去造粒噴頭的管道溫度恒定，流動性良好，防止過程中的尿液析出結(jié)晶，此兩根管線需要進行夾套蒸汽伴熱。同時，為盡可能地減少縮二脲的生成率，熔融尿素管線的夾套蒸汽必須用相當于熔融物溫度的飽和蒸汽(142 ℃)，其壓力最大為0.273 MPa(g)。

1.2 蒸汽夾套管選型

根據(jù)SH/T 3040—2012《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計規(guī)范》，夾套管的內(nèi)管與套管的連接型式有內(nèi)管焊縫隱蔽型(全夾套)和內(nèi)管焊縫外露型(半夾套)兩種[1]。在尿素裝置中，全夾套和半夾套均可采用，全夾套型式的保溫效果更好，半夾套型式更利于后期焊縫的檢測，在設(shè)計時選擇何種形式需從保溫效果、焊縫檢測、造價等方面綜合考慮。筆者參與的河南某尿素項目便采用的是法蘭式夾套管(見圖1)，便于拆卸，但造價較高。由中國五環(huán)工程有限公司承接的華魯恒升項目便采用的是管帽式夾套管(見圖2)，并且彎頭外露，需做好伴熱。無論采用何種型式，均需根據(jù)SH/T 3546—2011《石油化工夾套管施工及驗收規(guī)范》中的規(guī)定進行施工驗收。內(nèi)管焊縫隱蔽型夾套管，在內(nèi)管焊縫處的套管應留不少于75 mm的長缺口，待內(nèi)管焊縫經(jīng)100%射線檢測，試壓合格后方可進行隱蔽作業(yè)。

圖1 內(nèi)管、套管與法蘭對焊連接

圖2 管帽式夾套管

1.3 蒸汽夾套管尺寸及長度確定

蒸汽夾套管設(shè)計過程中的一個重要環(huán)節(jié)就是確定其尺寸及長度，而長度會影響管內(nèi)流體的特性。隨著其長度的增加，蒸汽沿程阻力損失增大，熱損也增大，傳熱效果降低，蒸汽夾套管的長度應確保管內(nèi)介質(zhì)溫度始終高于其結(jié)晶溫度。蒸汽夾套管一般每隔10～12 m設(shè)一對法蘭，直管部分可以20 m設(shè)一對。但對于尿素熔融液而言，由于其屬于易結(jié)晶堵塞的介質(zhì)，夾套管要求每隔6 m設(shè)一對法蘭，以便于拆卸疏通。蒸汽夾套管的尺寸(見表1)通常按主管的尺寸進行確定。

表1 蒸汽夾套管的組合尺寸

1.4 蒸汽夾套管的熱應力

在進行尿素裝置蒸汽夾套管設(shè)計時，由于夾套管的內(nèi)管和外管的介質(zhì)、材質(zhì)、溫度的差異，會產(chǎn)生不同的熱應力，因此在設(shè)計時，應充分考慮這些因素，分別進行內(nèi)外管的熱應力計算。當內(nèi)外管的熱應力相差很大時，在進行夾套管布置時應考慮增加管道的自然補償或使用膨脹節(jié)。在彎頭處，若內(nèi)外管間的膨脹位移不滿足設(shè)計要求，需要適當改變外管直徑，以便減少內(nèi)外管的膨脹差，在此狀況下，還應充分考慮導向板的位置，使其盡量多地吸收膨脹差[2]。

在尿素裝置生產(chǎn)中，從尿素熔融泵至造粒塔噴頭層的配管由于垂直高度較高，出于管道柔性的考慮，應設(shè)置合理的自然補償，同時，由于需控制尿液管道中縮二脲的含量，尿液管道的總長通常是越短越好，一般不得超過90 m，以縮短停留時間。因此，在進行夾套管配管設(shè)計時，需綜合考慮這兩方面需求。筆者參與的河南某尿素項目通過設(shè)置5個膨脹節(jié)解決了此問題。

1.5 蒸汽夾套管的材料等級、設(shè)計壓力和設(shè)計溫度

在尿素裝置中，根據(jù)實際工程經(jīng)驗，蒸汽夾套管內(nèi)管的材料等級為3U7(A312 TP304L)，外管的材料等級為1S1(A53-B)。夾套管內(nèi)管的外壓、外管的內(nèi)壓應為外管內(nèi)蒸汽的設(shè)計壓力。應力分析的計算溫度，夾套外管取蒸汽的操作溫度，內(nèi)管取工藝介質(zhì)或蒸汽操作溫度中的最高者，同時應校核外管的環(huán)境溫度和內(nèi)管工藝介質(zhì)的操作溫度。

2 尿素裝置蒸汽夾套管管件的選用

2.1 彎頭

當夾套管內(nèi)管彎頭的曲率半徑R1≤1.5DN時，可以采用標準彎頭。若DN≥250 mm，外管和內(nèi)管的彎曲半徑一般均取其公稱直徑的1倍。若內(nèi)管彎管的曲率半徑R1≥3DN，套管彎管的曲率半徑與內(nèi)管的曲率半徑相等(R2=R1)。彎頭的結(jié)構(gòu)型式見圖3。內(nèi)管和套管彎頭的曲率半徑R1和R2的對應關(guān)系見表2和表3。

圖3 夾套管彎頭結(jié)構(gòu)型式

表2 蒸汽夾套管的組合尺寸

續(xù)表

表3 內(nèi)管及套管彎頭的曲率半徑(R1≤1.5DN)

2.2 三通

在尿素裝置蒸汽夾套管上的等徑或異徑三通應采用剖切型，分橫切和縱切兩種剖切方式，現(xiàn)場組對進行焊接。在三通連接的支管處，蒸汽夾套內(nèi)管的公稱直徑原則上要比其套管小2個等級，從大口徑管線上引出的分支管應采用焊接短管。若采用凸臺連接，引出的方式見圖4，以避免碰撞套管；若三通或者凸臺未滿足壓力要求，則應該采用加強板進行加強(見圖5)。

圖4 支管通過凸臺引出

圖5 支管通過直接開孔引出

2.3 異徑管

蒸汽夾套管應采用標準異徑管變徑。為了減少熱膨脹時內(nèi)外管間的相互碰撞，蒸汽夾套管中的內(nèi)管異徑管和套管異徑管的接頭部應錯開布置，且相互間距不應少于50 mm。當采用偏心異徑管時，由于內(nèi)管和套管的異徑管均為標準型，則變徑后內(nèi)外管的中心可能不在一條直線上，若變徑后的管道較長，內(nèi)管與外管便會有相撞的可能，此時必須在安裝時給出一定的角度使內(nèi)外管的中心線一致。夾套管異徑管的安裝示意見圖6。

圖6 夾套異徑管安裝示意

2.4 夾套法蘭

當夾套管為完全夾套時，管道上的法蘭為夾套法蘭，其壓力等級應該根據(jù)內(nèi)管的設(shè)計條件來確定，夾套法蘭的尺寸根據(jù)內(nèi)外管的尺寸來確定。當夾套管的內(nèi)管材質(zhì)為碳鋼時，法蘭采用帶頸平焊夾套法蘭。當夾套管的內(nèi)管材質(zhì)為不銹鋼時，采用帶頸對焊夾套法蘭。在尿素裝置中，夾套管內(nèi)管的材質(zhì)為不銹鋼(A312 TP304L)。

2.5 夾套閥門

尿素裝置蒸汽夾套管所采用的閥門為法蘭連接的全夾套閥門。夾套管上需要設(shè)置蒸汽跨接管，其需嚴格按照要求進行安裝。蒸汽跨接管的入口應該布置在正上方或朝上，出口應該布置在正下方或朝下。當夾套閥門的尺寸大于或等于DN150×200時，其蒸汽跨接管設(shè)置數(shù)量不得少于4個，當夾套閥門尺寸小于或等于DN100×150時，應設(shè)置大約3個跨接管，并且其安裝方位應便于檢修和操作(見圖7)。蒸汽跨接管的尺寸一般為DN15和DN20，DN100×150以上的夾套閥采用蒸汽跨接管尺寸(DN20)，DN80×125以下的夾套閥采用蒸汽跨接管尺寸(DN15)。短管連接方式采用螺紋連接。

圖7 夾套閥門蒸汽跨接管方位

2.6 定位板

為防止蒸汽夾套管內(nèi)外管偏心，蒸汽夾套管的內(nèi)外管間應采用定位板的方式進行支撐，定位板設(shè)置在夾套內(nèi)管的外壁上，其材質(zhì)與內(nèi)管相同，在尿素裝置中，均為不銹鋼材質(zhì)，安裝方位不應影響到內(nèi)管的熱位移和介質(zhì)流動。若在彎頭處設(shè)置定位板，不應影響到夾套內(nèi)、外管的熱位移，根據(jù)工程經(jīng)驗宜設(shè)置在離彎頭100 mm的地方。定位板長一般為40 mm，距離外管內(nèi)壁的空隙為1～1.5 mm，不銹鋼材質(zhì)的定位板厚度為3 mm。定位板間距的選取見表4。

表4 定位板間距

3 尿素裝置蒸汽夾套管與跨接管的布置

3.1 蒸汽夾套管的布置

由于尿素自身易結(jié)晶的特性，所需要進行夾套管伴熱的管道具有坡度要求，在設(shè)計蒸汽夾套管時需注意以下幾點：①由于尿素裝置蒸汽夾套管水平敷設(shè)需要設(shè)置坡度，故夾套管內(nèi)蒸汽的流向應與管道坡度一致；②蒸汽應從夾套管的上部引入，冷凝液從套管的底部排出，供汽管和凝結(jié)水管道應該分別設(shè)置切斷閥門，疏水閥后宜設(shè)置檢查閥門；③每節(jié)夾套管的長度不宜超過6m，應盡可能避免出現(xiàn)氣袋或液袋，管道不應有死角。若無法避免，應該設(shè)置放空或者導淋排凈設(shè)施；④蒸汽夾套管的夾套閥門應盡可能布置在水平管線上，并盡可能避免出現(xiàn)積液，夾套閥門距離三通的距離應最近；⑤套管內(nèi)蒸汽從高壓流向低壓，隨著熱量的散失，逐漸冷凝，由于重力的作用流向下方。蒸汽入口應設(shè)置在最高點，以避免出現(xiàn)氣袋和液袋，疏水閥應設(shè)在最低點。蒸汽供給方式見圖8。

圖8 蒸汽供給方式

3.2 夾套跨接管的布置

在規(guī)定的長度范圍內(nèi)，每節(jié)夾套管間的蒸汽管宜采用跨接管進行串聯(lián)，跨接管應采用法蘭連接。其尺寸應該與蒸汽供給管一致，其材質(zhì)一般應與套管材質(zhì)相同，但當蒸汽溫度≤200 ℃時，可以使用銅管，當跨接管尺寸為DN20時，銅管尺寸為φ12或φ10；當跨接管尺寸為DN15時，銅管尺寸為φ10或φ8。各種跨接管的布置見圖9、圖10、圖11和圖12。

圖9 夾套跨接管垂直布置

圖10 夾套跨接管水平布置

圖11 夾套閥門布置在水平管的夾套跨接管

圖12 夾套閥門布置在垂直管的夾套跨接管

4 結(jié)語

蒸汽夾套管的設(shè)計在整個尿素裝置設(shè)計中是一大難點，其設(shè)計的好壞直接影響到尿素產(chǎn)品的質(zhì)量，以及整個裝置的安全、平穩(wěn)運行。在進行蒸汽夾套管設(shè)計時，一定要充分了解蒸汽夾套管的特殊性并遵循相關(guān)規(guī)范，滿足工藝要求，優(yōu)化管道布置，合理選材、選型，以求達到最佳的伴熱效果。本文通過對尿素生產(chǎn)的工藝流程進行分析，介紹了尿素裝置蒸汽夾套管設(shè)計和管件的選用原則，并對其布置要點進行相關(guān)探討，對今后類似生產(chǎn)項目具有一定的借鑒意義。