陳江波中石化洛陽(yáng)工程有限公司 洛陽(yáng)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(shù)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(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)、柴汽比高、投資少、設(shè)計(jì)和建設(shè)周期短、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)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(guò)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(qiáng)度，使油品在加熱爐中短時(shí)間內(nèi)達(dá)到結(jié)焦反應(yīng)所需要的溫度，然后迅速離開(kāi)加熱爐進(jìn)入焦炭塔，從而使結(jié)焦反應(yīng)基本不在加熱爐中進(jìn)行，而延遲到焦炭塔中進(jìn)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(jìn)行分餾的管線便是焦炭塔頂油氣管線，本文結(jié)合某公司1400kt/a延遲焦化裝置(一爐兩塔)，對(duì)焦炭塔頂油氣管線的管道設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 焦炭塔、焦化爐及分餾塔的平面布置

在進(jìn)行延遲焦化裝置的平面布置設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)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(guān)系。由于原料在焦化加熱爐到焦炭塔的管道中極易結(jié)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)盡量靠近焦炭塔，以縮短油氣管線的長(zhǎng)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(jìn)料線和塔頂油氣管線的長(zhǎng)度，減少了介質(zhì)在管道內(nèi)結(jié)焦的可能性，同時(shí)也減少了合金鋼管道的用量，節(jié)省了投資。具體布置見(jiàn)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(dāng)溫度為230～330℃時(shí)，油氣中的硫化物分解生成H2S，開(kāi)始對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕;隨著溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)溫度為330～400℃時(shí)，H2S開(kāi)始分解為H2和S，生成的S與Fe反應(yīng)生成FeS覆蓋在管道內(nèi)表面形成一層保護(hù)膜，防止設(shè)備發(fā)生進(jìn)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(yīng)，破壞保護(hù)膜，裸露的鋼材繼續(xù)發(fā)生腐蝕，故環(huán)境中酸的存在強(qiáng)化了硫化物對(duì)管道的腐蝕;當(dāng)溫度為425～430℃時(shí)，高溫硫?qū)μ间摴艿栏g速率最大;當(dāng)溫度大于480℃時(shí)，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(qiáng)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(qiáng)。在還原性的含硫介質(zhì)中，鋼材中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%，可以大幅增強(qiáng)鋼材的抗硫腐蝕能力，但鋼材的造價(jià)會(huì)隨著Cr含量的增加而顯著增加。由于塔頂油氣管線不會(huì)發(fā)生高溫環(huán)烷酸腐蝕，國(guó)內(nèi)一般使用價(jià)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(qiáng)性能較高，且工藝性能良好。

閥門(mén)選用高溫耐磨球閥，以防止焦炭粉造成閥門(mén)失靈。由于該閥門(mén)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(dòng)程控執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和提高閥門(mén)的安全性，見(jiàn)圖2。

安裝時(shí)閥體的高壓端應(yīng)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(zhǎng)閥門(mén)的使用壽命。

保溫材料選用導(dǎo)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(zhǎng)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(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

焦炭塔頂油氣管線的管道設(shè)計(jì)應(yīng)按照盡量短而直的原則，以減少?gòu)濐^數(shù)量和縮短管道長(zhǎng)度，減小管內(nèi)壓力降和防止介質(zhì)在管內(nèi)結(jié)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(yù)熱等多種工況，而且，由于兩塔頻繁切換操作，因此整個(gè)管系的工況非常復(fù)雜，管系的布置應(yīng)該進(jìn)行詳細(xì)的、多工況的應(yīng)力分析［2］。焦化裝置焦炭塔及塔頂油氣管線的操作工況見(jiàn)表1。

表1 焦炭塔及塔頂油氣管線的操作工況(℃)

管系的應(yīng)力分析采用由美國(guó)COADE公司開(kāi)發(fā)的CAESARⅡ軟件進(jìn)行。該軟件是以梁?jiǎn)卧Ｐ蜑榛A(chǔ)的有限元分析程序，可以進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，可以根據(jù)ASME B31系列和其它國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力校核，還可以根據(jù)WRC、API、NEMA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜設(shè)備和動(dòng)設(shè)備的受力校核。

焦炭塔頂油氣管線復(fù)雜的操作工況使該管系不但存在材料熱脹引起的管道應(yīng)力問(wèn)題，還存在不同介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)引起的管道振動(dòng)問(wèn)題。在以往的焦化裝置設(shè)計(jì)中，塔頂油氣管線在焦炭塔頂部附近設(shè)置立式“π”型補(bǔ)償器，見(jiàn)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(duì)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(lái)看，架空的立式“π”型補(bǔ)償器容易發(fā)生振動(dòng)。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(bǔ)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(dòng)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(lái)越大，但由于裝置布置的限制，立式“π”型補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)尺寸則會(huì)受到限制，因此，管道的應(yīng)力和設(shè)備管嘴的受力會(huì)越來(lái)越大，不能滿足管道和設(shè)備的受力要求，控制立式“π”型補(bǔ)償器處的振動(dòng)也會(huì)越來(lái)越困難。這就要求油氣管道布置做進(jìn)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(tái)EL+25000處設(shè)置水平“∏”型補(bǔ)償器并在塔頂油氣出口管嘴附近做了一個(gè)相當(dāng)于水平“∏”型的拐彎見(jiàn)圖4，將吸收膨脹的“∏”型彎放在了焦炭塔下部的框架平臺(tái)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(bǔ)償器通過(guò)框架梁支撐，接觸面加大，管系的剛度得到加強(qiáng)，振動(dòng)便會(huì)減弱。當(dāng)油氣管線直徑增大時(shí)，框架平臺(tái)處的水平“∏”型補(bǔ)償器可適當(dāng)加寬加長(zhǎng)，管系的熱脹及振動(dòng)就會(huì)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(yù)緊碟簧墊片。當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，該墊片將吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能儲(chǔ)存在碟簧中，當(dāng)設(shè)備由于溫度、壓力變化或機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力松弛時(shí)，釋放勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，對(duì)螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行補(bǔ)償，使螺栓的預(yù)緊力始終保持在墊片密封所需要的預(yù)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(yùn)行工況，引起設(shè)備管嘴處螺栓出現(xiàn)應(yīng)力松弛造成法蘭泄漏的可能，為裝置的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力保障，也減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)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(shè)計(jì)

管道支架設(shè)計(jì)是管道設(shè)計(jì)的重要組成部分。在設(shè)計(jì)油氣管線的支架時(shí)，必須嚴(yán)格按照管道應(yīng)力分析結(jié)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(yīng)力分析結(jié)果，靠近塔頂管嘴處設(shè)彈簧承重支架，以減小焦炭塔和管線熱脹量不一致對(duì)塔管嘴的作用力及減小支架對(duì)焦炭塔管嘴的反力。豎直管線的第一個(gè)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(dāng)位置設(shè)導(dǎo)向支架，用以固定管線，防止晃動(dòng)。

當(dāng)焦炭塔的溫度高于油氣管線溫度時(shí)，管道向上位移，而焦炭塔的溫度低于油氣管線溫度時(shí)，油氣管線將以管道上的某一標(biāo)高為臨界點(diǎn)，臨界點(diǎn)以上的管道向上位移，臨界點(diǎn)以下向下位移。根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，本裝置油氣管線的臨界點(diǎn)位于距管嘴以下約15m的地方，那么對(duì)位于臨界點(diǎn)以下的“∏”型補(bǔ)償器處支架的設(shè)計(jì)就應(yīng)特別注意，在選用彈簧支架時(shí)，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(xiāo)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行特殊定位。

5 焦炭塔頂油氣管線的操作檢修措施及預(yù)制安裝

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

該管道下料前應(yīng)核實(shí)各管道組成件的實(shí)際結(jié)構(gòu)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(yù)制時(shí)，應(yīng)在直管段預(yù)留活口，以調(diào)節(jié)制造和施工帶來(lái)的誤差。安裝時(shí)先從焦炭塔管嘴開(kāi)始安裝，敷設(shè)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(shè)計(jì)

高溫耐磨球閥在密封面和閥的盤(pán)根處需采取蒸汽密封和吹掃，防止閥內(nèi)密封面和盤(pán)根處結(jié)焦。而各處的吹掃蒸汽用量不同，為保證球閥密封面不結(jié)焦和減少蒸汽的消耗量，通過(guò)在用汽點(diǎn)的管道上安裝限流孔板來(lái)控制。在管道設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)各限流孔板編號(hào)加以區(qū)分，可成組安裝，但同時(shí)也需考慮操作方便和便于球閥的檢修。蒸汽主管應(yīng)為專(zhuān)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(jié)語(yǔ)

在焦炭塔頂油氣管線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，以上所探討的問(wèn)題相對(duì)比較典型、在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)加以重視，設(shè)計(jì)改進(jìn)也是在不斷吸取已建成裝置的經(jīng)驗(yàn)而獲得的。因此，只有在不斷總結(jié)及摸索中，管道設(shè)計(jì)的安全性、合理性、經(jīng)濟(jì)性及美觀性等因素才能更好的得到體現(xiàn)，才會(huì)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(hù)，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(shè)備技術(shù)，2009，30(3):23－27.