聚烯烴裝置淤漿管道的設(shè)計(jì)

張敏

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

淤漿管道是指將含有顆粒物質(zhì)的液體或氣體從上一個(gè)工序輸送到下一個(gè)工序的管道。與輸送一般液體和氣體的管道不同，由于管道內(nèi)的物料淤漿具有顆粒物大、易沉積、黏度高等特殊性質(zhì)，在生產(chǎn)運(yùn)行中極易導(dǎo)致管道堵塞，影響生產(chǎn)效率，因此，對(duì)淤漿管道的合理設(shè)計(jì)，能夠有效地提高裝置生產(chǎn)效率和設(shè)備穩(wěn)定性。本文以淤漿法高密度聚乙烯裝置的淤漿管道設(shè)計(jì)為例，從工藝流程、設(shè)備布置、管道設(shè)計(jì)、材料選擇、應(yīng)力計(jì)算及支吊架設(shè)置等多方面對(duì)淤漿管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，旨在為聚烯烴裝置中淤漿管道的合理設(shè)計(jì)提供參考。

1 淤漿管道的相關(guān)工藝流程簡(jiǎn)介

淤漿法高密度聚乙烯技術(shù)的生產(chǎn)流程主要包括：催化劑配制、聚合、分離干燥、脫氣、造粒及摻混、溶劑回收、公用工程及輔助生產(chǎn)設(shè)施等七個(gè)生產(chǎn)工段。其中聚合反應(yīng)是整個(gè)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，淤漿管道是聚合反應(yīng)工段中的關(guān)鍵管道，它是整個(gè)裝置生成最終產(chǎn)品的第一道反應(yīng)產(chǎn)物。淤漿管道的工藝流程主要包含以下兩個(gè)部分：

（1）淤漿外循環(huán)過程：從聚合反應(yīng)器抽出部分淤漿，由淤漿循環(huán)泵送至淤漿外循環(huán)冷卻器冷卻到一定溫度后，返回聚合反應(yīng)器。主要設(shè)備包含反應(yīng)器、淤漿外循環(huán)冷卻器、淤漿外循環(huán)泵。

（2）溢流淤漿的處理：聚合反應(yīng)器內(nèi)物料經(jīng)溢流管口出料進(jìn)入稀釋罐分離為液相和氣相，稀釋罐內(nèi)的聚合物淤漿減壓后進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸后的聚合物淤漿通過淤漿輸送泵送至離心干燥工段。主要設(shè)備包含稀釋罐、閃蒸罐、淤漿輸送泵。

淤漿管道的工藝流程示意圖如圖1 所示，圖1中紅色管線為淤漿外循環(huán)管道，綠色管線為溢流淤漿管道，圖中紅色加粗淤漿外循環(huán)泵入口管道為下文主要分析管道。

圖1 淤漿外循環(huán)及溢流反應(yīng)流程示意圖Fig.1 Process diagram of slurry external circuliation and ouerflow reaction process

2 設(shè)備及管道布置

與淤漿管道相關(guān)聯(lián)的設(shè)備包括：聚合反應(yīng)器、淤漿循環(huán)泵、淤漿外循環(huán)冷卻器、稀釋罐、閃蒸罐及淤漿輸送泵。由于淤漿管道具有易堵塞、易沉積的特點(diǎn)，為保證設(shè)備及管道的穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合聚烯烴裝置在設(shè)備布置及管道設(shè)計(jì)方面的特殊性，設(shè)備布置時(shí)，成組的反應(yīng)器應(yīng)中心線應(yīng)對(duì)齊成排布置在同一構(gòu)架內(nèi)[1]，同時(shí)應(yīng)按工藝流程順序和同類設(shè)備適當(dāng)集中相結(jié)合的原則進(jìn)行布置，詳見圖2。

圖2 淤漿反應(yīng)器及相關(guān)設(shè)備平面圖Fig.2 Layout chart of slurry reactor and related equipment

2.1 設(shè)備布置應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：

（1）聚合反應(yīng)器和閃蒸罐都帶有攪拌裝置，由于振動(dòng)的存在，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架時(shí)，一般會(huì)選擇混凝土框架，以增加結(jié)構(gòu)的剛度，利于減振，設(shè)備布置立面圖中所有帶攪拌器的設(shè)備均支撐在混泥土結(jié)構(gòu)層，詳見圖3。

圖3 淤漿反應(yīng)器及相關(guān)設(shè)備立面圖Fig.3 Elevation plan of slurry reactor and related equipment

（2）為了防止顆粒沉積，淤漿管道需要采用大半徑彎頭，與淤漿管相連的設(shè)備空間布置與管道直徑及彎管半徑有密切關(guān)系。淤漿外循環(huán)泵入口管道大彎管立面部分決定了反應(yīng)器的安裝高度，大彎管水平距離決定了反應(yīng)器和淤漿循環(huán)泵的水平相對(duì)位置。

（3）反應(yīng)器及稀釋罐等相關(guān)設(shè)備之間的立面布置。反應(yīng)器溢流口與稀釋罐進(jìn)口要求無彎頭直接連通，反應(yīng)器溢流口斜向下45 度，稀釋罐進(jìn)口斜向上45 度斜向直連，因此稀釋罐的安裝高度主要取決于反應(yīng)器溢流口高度，由于設(shè)備布置和設(shè)備操作溫度不同，兩臺(tái)設(shè)備管口在豎直方向的位移量不一樣，如果采用直連方式，會(huì)造成設(shè)備管口應(yīng)力過大，因此在稀釋罐的支耳處增加彈簧支架，保證此段直連管道與之連接的設(shè)備安全運(yùn)行。反應(yīng)器溢流口與稀釋罐直連詳見圖3 設(shè)備立面布置圖。

聚合反應(yīng)器、稀釋罐、閃蒸罐上部均帶有攪拌器，對(duì)于內(nèi)部裝有攪拌器或輸送機(jī)械的反應(yīng)器，應(yīng)在頂部或側(cè)面留出攪拌或輸送機(jī)械的軸和電機(jī)的拆卸、起吊等檢修所需的空間和場(chǎng)地[1]，詳見圖2、圖3。

2.2 淤漿管道布置

（1）漿液管道布置時(shí)，宜使管道短而直，彎管數(shù)量少，并不應(yīng)出現(xiàn)死區(qū)?？紤]到本裝置實(shí)際運(yùn)行過程中淤漿輸送管道維護(hù)和清洗的便利性，同時(shí)考慮到施工過程中方便管道焊縫處管道內(nèi)壁拋光處理，在淤漿管道大彎管前后增加可拆卸法蘭。當(dāng)管道改變走向時(shí)，管道的彎曲部分應(yīng)采用較大曲率半徑的彎管。參考已投產(chǎn)運(yùn)行成熟的相同裝置大彎管曲率半徑，本套裝置淤漿管道彎管的曲率半徑選用原則如下：

①直徑小于300 mm 選用5DN 大彎管。

② 直徑大于等于300 mm 選用3DN 大彎管。

（2）泵進(jìn)出口淤漿管道的配置。在一般介質(zhì)管道中，由于介質(zhì)的流動(dòng)較為平穩(wěn)，管道中流速變化較小，對(duì)于水平吸入的離心泵，當(dāng)進(jìn)口管道有變徑，當(dāng)管道從上向下進(jìn)泵時(shí)，宜采用頂平安裝，但輸送含有固體介質(zhì)或漿液時(shí)，應(yīng)底平安裝[2]。淤漿管道中，因淤漿中含有固體顆粒，流動(dòng)較為不穩(wěn)定，管道中流速變化較大，如果泵進(jìn)口大小頭頂平，會(huì)導(dǎo)致固體顆粒在管道內(nèi)沉積，增加管道阻力，甚至造成泵的堵塞。因此，淤漿管道泵進(jìn)口大小頭應(yīng)底平，這樣可以避免顆粒在管道內(nèi)沉積，保證泵的正常工作。淤漿外循環(huán)泵入口管道配管圖如圖4 所示。

圖4 淤漿外循環(huán)泵入口管道配管圖Fig.4 Piping diagram of inlet line of slurry external circulating pump

（3）淤漿管道、固體顆粒管道一般不設(shè)高點(diǎn)放空和低點(diǎn)排凈。當(dāng)工藝流程上有要求時(shí)，放空和排凈管徑不應(yīng)小于DN25，放空閥或放凈閥接管長(zhǎng)度應(yīng)最短，一般采用在管道上裝設(shè)特殊的凸緣法蘭（簡(jiǎn)稱PAD 法蘭）與閥門連接，省去連接短管，盡量減少死端長(zhǎng)度防止?jié){液積存在短管內(nèi)引起堵塞。本套裝置淤漿管道低點(diǎn)排凈采用圖5 形式。

圖5 PAD 法蘭直連放凈Fig.5 PAD flange directly connected and discharged

（4）淤漿管道上的分支管的連接形式。漿液管道的支管應(yīng)順介質(zhì)流向斜接至主管，夾角大小可選30°～ 60°，如果支管角度超出此范圍，因漿液管道介質(zhì)特性極易引起管道堵塞。本裝置淤漿管道支管連接采用夾角為45°Y 型三通，三通前后均要求增加可拆卸法蘭，方便淤漿管道清理維護(hù)。詳見圖6。

圖6 帶可拆卸法蘭的Y 型三通Fig.6 Y-tree with detachable flange

（5）淤漿管道吹掃管線的設(shè)置。為防止裝置停車時(shí)，漿液積聚在管道內(nèi)壁堵塞管道，在漿液管道靠近設(shè)備進(jìn)口或出口處應(yīng)設(shè)置沖洗、吹掃管線，以便漿液能全部從管道中排出。淤漿管道的沖洗或吹掃管道應(yīng)從漿液管的頂部接入，且第一道切斷閥宜靠近主管，盡量減少死區(qū)。當(dāng)管道布置受到空間限制時(shí)，常采用沖洗環(huán)作為沖洗接口，詳見圖7。

圖7 空間受限加沖洗環(huán)管道Fig.7 Space limited and flush ring pipe

3 淤漿管道的器材選用特點(diǎn)

3.1 管道直徑的確定

淤漿管道管徑選用時(shí)必須充分考慮管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)情況。由于淤漿液體含有顆粒物，其流動(dòng)狀態(tài)較稠密，流速慢。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到淤漿管道的特性和要求。淤漿外循環(huán)泵入口管道漿液濃度350 g/L，通過管道設(shè)計(jì)壓力1.1 MPa，設(shè)計(jì)溫度105°C、流速等參數(shù)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算方法，淤漿外循環(huán)泵入口管道管徑設(shè)計(jì)為DN500，確保管道運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，并可同時(shí)防止淤積。

3.2 管道材質(zhì)選用

一般而言，淤漿管道材料應(yīng)采用耐磨、耐酸堿腐蝕性較強(qiáng)的材料，如不銹鋼、陶瓷等。本項(xiàng)目漿料管道選用不銹鋼S30408，不銹鋼S30408 滿足本裝置淤漿管道設(shè)計(jì)壓力、溫度及介質(zhì)屬性要求，同時(shí)具有良好的耐腐蝕性和可加工性。陶瓷管接口要求高，不易施工，后續(xù)檢維修成本高。

3.3 管道內(nèi)壁拋光處理

淤漿管道內(nèi)表面拋光作業(yè)可改善管道內(nèi)表面的光滑度，減少摩擦阻力，從而提高流量和降低能耗。對(duì)一般的淤漿管道而言，內(nèi)壁粗糙度應(yīng)小于0.8 μm，對(duì)于要求較高的淤漿管道，內(nèi)壁粗糙度應(yīng)小于0.4 μm。本裝置根據(jù)漿料性質(zhì)確定管線內(nèi)壁拋光度為0.8 μm。

3.4 法蘭螺栓連接系統(tǒng)

與其他法蘭連接方式相比，松套法蘭連接可以更加方便地進(jìn)行拆卸和安裝，適用于淤漿管道的日常維護(hù)和清潔作業(yè)。淤漿外循環(huán)泵入口管道操作壓力為0.32～ 0.75 MPa 時(shí)，可選用松套法蘭連接。

3.5 閥門的選用

由于閘閥上的刻槽、截止閥的閥座等均易沉積漿料，故閘閥和截止閥均不適用于漿料環(huán)境，一般宜使用全通徑球閥，全通徑球閥全開時(shí)流道幾乎直通，流通能力強(qiáng)，適用于含纖維質(zhì)、漿料類、高黏度、含聚合物、顆粒物、結(jié)晶體等流體，本裝置中淤漿管道的切斷閥均選用全通徑球閥，因該裝置淤漿管道設(shè)計(jì)溫度、壓力范圍不屬于高溫高壓管道，對(duì)球閥密封面無特殊要求。

聚合反應(yīng)器及淤漿循環(huán)冷卻器底部采用Y 型柱塞閥，柱塞閥具有密封可靠、控制精度高、適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)柱塞閥關(guān)閉時(shí)，柱塞頂部與容器底表面或管道內(nèi)表面平齊，這樣可以有效避免接口處出現(xiàn)由于縫隙而造成介質(zhì)的聚積，從而保證介質(zhì)的正常流動(dòng)和排凈，同時(shí)柱塞的關(guān)閉過程也是對(duì)流道進(jìn)行清潔的過程。柱塞閥在反應(yīng)器底部的應(yīng)用詳見圖8，柱塞閥結(jié)構(gòu)形式詳見圖9。

圖8 淤漿管道上柱塞閥的布置Fig.8 Layout of plunger valve on slurry pipe

圖9 柱塞閥結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagram of plunger valve

4 淤漿管道應(yīng)力計(jì)算及支吊架設(shè)置

（1）管道應(yīng)力計(jì)算及支吊架設(shè)置對(duì)管道的運(yùn)行穩(wěn)定性和壽命有重要影響，在管道柔性設(shè)計(jì)時(shí)，淤漿管道由于物料性質(zhì)的特點(diǎn)，一般應(yīng)采用自然補(bǔ)償來滿足管道的柔性要求，不建議采用補(bǔ)償器的形式進(jìn)行熱位移的補(bǔ)償，管道走向在滿足工藝要求的前提下應(yīng)該盡可能短，彎頭數(shù)量盡量少。一般可采用下列方法增加管道的自然補(bǔ)償能力[3]：

①改變管道的走向，以增加整個(gè)管道的柔性；

② 調(diào)整支吊架的形式與位置----改成彈簧支吊架等；

③改變?cè)O(shè)備布置。

以本裝置中淤漿外循環(huán)泵入口管道為例：圖10原有的管道走向超出反應(yīng)器底部管口受力荷載范圍，由于反應(yīng)器基礎(chǔ)、管口方位、泵的基礎(chǔ)均已確定，原有管道進(jìn)出口位置不能修改，只能夠通過改變管道走向增加管道的柔性，修改后管道走向詳見圖11。因此在考慮設(shè)備布置時(shí)，需應(yīng)力計(jì)算的管道應(yīng)提前規(guī)劃管道走向滿足設(shè)備管口應(yīng)力要求。

圖10 原有管道走向圖Fig.10 Diagram of the original pipeline direction

圖11 修改的管道走向圖Fig.11 Modified pipeline path diagram

（2）淤漿管道由于內(nèi)部漿料的流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，容易出現(xiàn)流阻、流動(dòng)不穩(wěn)定等引起的管道振動(dòng)問題，因此在應(yīng)力分析和支吊架設(shè)計(jì)時(shí)尚需考慮以下幾個(gè)方面：

①合理設(shè)置支吊架的位置，以保證管道的水平度，防止因重量，熱膨脹等引起的變形造成管道系統(tǒng)出現(xiàn)低點(diǎn)。該裝置淤漿外循環(huán)泵入口管道設(shè)計(jì)撓度不應(yīng)大于10 mm；

② 進(jìn)行管道系統(tǒng)固有頻率的核算，通過支吊架設(shè)置適當(dāng)增大管道系統(tǒng)固有頻率；

③必要時(shí)采用阻尼器來防止管道的振動(dòng)。

5 總結(jié)

淤漿管道的設(shè)計(jì)在高密度聚乙烯裝置設(shè)計(jì)中是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其配管設(shè)計(jì)需要綜合考慮多種因素，本文結(jié)合某高密度聚乙烯裝置工程設(shè)計(jì)的實(shí)例對(duì)淤漿管道系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。只有在設(shè)計(jì)過程中充分考慮淤漿管道系統(tǒng)的介質(zhì)流動(dòng)特性、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及維護(hù)保養(yǎng)等方面的問題，才能保證淤漿管道系統(tǒng)能夠安全、高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。