李輔民
福陸(中國(guó))工程建設(shè)有限公司 (上海 201103)
異壬醇裝置高壓管道的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)問題:設(shè)備布置滿足安全(防火、防爆)要求的同時(shí)要便于安裝、操作和檢修;管道布置在滿足工藝流程圖的要求下長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短,由于管道壁較厚,管道布置應(yīng)保證足夠柔性,還需特別注意高壓泵及壓縮機(jī)出口管道的減振設(shè)計(jì),合理設(shè)置通道和平臺(tái)以滿足安裝、操作和檢修要求;材料應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件選擇合適的壓力等級(jí)和壁厚,同時(shí)還應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范和經(jīng)濟(jì)性要求;應(yīng)力分析應(yīng)保證管口受力滿足設(shè)備廠家提出的力和力矩的要求,保證管系受力合理、柔性滿足各種工況的要求,還應(yīng)特別注意控制法蘭的力和力矩。在施工過程中應(yīng)特別重視焊接質(zhì)量、法蘭緊固程序和力矩值的控制。本文以某異壬醇裝置的高壓管道設(shè)計(jì)為例,對(duì)上述幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。
近年來,隨著塑料行業(yè)的迅速發(fā)展和人們對(duì)環(huán)保要求的進(jìn)一步提高,新一代增塑劑鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP)在玩具和電線電纜中得到廣泛應(yīng)用。異壬醇(INA)作為生產(chǎn)DINP的原料,需求量也隨之快速增長(zhǎng)。
某項(xiàng)目采用國(guó)外專利技術(shù)——高壓羰基合成醇工藝生產(chǎn)異壬醇,主體工程包括丁烯二聚制異辛烯和異辛烯羰基合成制異壬醇兩個(gè)工藝單元,其中丁烯二聚制異辛烯包括抽余油的干燥和凈化、丁烯二聚、產(chǎn)品分離等工序;異壬醇的合成包括羰基合成單元、加氫單元和精餾單元。輔助系統(tǒng)包括中間罐區(qū)、循環(huán)水塔、管廊、火炬、消防水池和泵房等。
異壬醇合成單元的高壓管道(文中指設(shè)計(jì)壓力為29.5M Pa的管道)共有28條,重點(diǎn)討論了異壬醇裝置高壓管道的設(shè)計(jì)、材料選擇和應(yīng)力分析等應(yīng)注意的問題,以期為類似高壓管道的設(shè)計(jì)提供參考。
異辛烯羰基合成制異壬醇的主要反應(yīng)流程是由罐區(qū)來的異辛烯和界區(qū)來的合成氣在約27MPa的壓力和約185℃的溫度下進(jìn)行羰基化反應(yīng)生成異壬醛,催化劑為醋酸鈷溶液,主反應(yīng)化學(xué)方程式見式(1)。具體工藝流程(見圖1)為經(jīng)處理過的合成氣由合成氣壓縮機(jī)壓縮后和來自罐區(qū)并經(jīng)高壓泵(U 4111A/B)增壓的異辛烯以及制備系統(tǒng)來的液相催化劑一起進(jìn)入一段羰基化反應(yīng)器(R 4140)和二段羰基化反應(yīng)器(R 4142)內(nèi)進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)熱進(jìn)入蒸汽發(fā)生器(E 4146A/B)用于產(chǎn)生蒸汽,生成的異壬醛和氫氣進(jìn)入加氫系統(tǒng)反應(yīng)生成異壬醇。
圖1 異辛烯羰基化制備異壬醇工藝流程
該項(xiàng)目工程內(nèi)容包括2臺(tái)高壓反應(yīng)器,預(yù)留1臺(tái)。G B50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱石化規(guī))中5.2.19規(guī)定:高壓和超高壓的壓力設(shè)備宜布置在裝置的一端或一側(cè),有爆炸危險(xiǎn)的超高壓反應(yīng)設(shè)備宜布置在防爆構(gòu)筑物內(nèi)。因此該項(xiàng)目將高壓反應(yīng)器布置在裝置東側(cè)的構(gòu)筑物內(nèi),參見圖2。反應(yīng)器的東側(cè)距離道路邊緣28m,該區(qū)域主要用于高壓反應(yīng)器的安裝和檢修,同時(shí)滿足業(yè)主項(xiàng)目規(guī)定的安全距離要求。南側(cè)布置合成氣壓縮機(jī),與高壓反應(yīng)器的最近距離為13.05m,滿足石化規(guī)表5.2.1中可燃?xì)怏w壓縮機(jī)與其他工藝設(shè)備防火間距不小于9m的要求。西側(cè)為高壓泵區(qū)及裝置內(nèi)管廊,異辛烯進(jìn)料高壓泵靠近高壓反應(yīng)器布置,以盡可能地減少管道長(zhǎng)度。兩臺(tái)泵中間的凈距離為4.5m,為高壓泵的檢修區(qū),滿足廠家提出的凈距離不小于2.5m的要求。同時(shí)在高壓泵的上部設(shè)置了可向四個(gè)方向移動(dòng)的手動(dòng)葫蘆以方便高壓泵的檢修。高壓泵與合成氣壓縮機(jī)的距離為10.88m,滿足石化規(guī)表5.2.1可燃?xì)怏w壓縮機(jī)與其他工藝設(shè)備防火間距不小于9m的要求。[1]
圖2 異壬醇裝置高壓區(qū)設(shè)備布置簡(jiǎn)圖
高壓反應(yīng)器為立式設(shè)備,直徑2m,高26m,采用裙座支撐,裙座高1m,重約200t,支撐在框架的4m層??紤]到反應(yīng)器的操作溫度為192℃,增加了30m m厚的耐高溫玻璃鋼隔熱墊以保證支撐反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)鋼梁不受反應(yīng)器溫度變化的影響。
平臺(tái)的設(shè)計(jì)不僅要滿足規(guī)范要求,還應(yīng)滿足操作、安裝、檢修及配管的要求。高壓反應(yīng)區(qū)分別在距地面4、15.5、22.5及26m處設(shè)置了4個(gè)平臺(tái)。4m層平臺(tái)主要用于支撐2個(gè)反應(yīng)器,同時(shí)方便操作調(diào)節(jié)閥組,并設(shè)有兩個(gè)直爬梯通向地面。15.5m平臺(tái)主要用于異辛烯預(yù)熱器和進(jìn)料閥組的檢修以及安全閥的操作維護(hù),并設(shè)有兩個(gè)過橋通向工藝裝置區(qū)框架。22.5m平臺(tái)主要用于檢修反應(yīng)器和蒸汽管道閥組的操作維護(hù),也設(shè)置了兩個(gè)過橋通向工藝裝置區(qū)框架。26m平臺(tái)主要用于反應(yīng)器安全閥的操作維護(hù),由于平臺(tái)長(zhǎng)度小于8m,故只設(shè)置了一個(gè)直爬梯通向22.5m平臺(tái)。
高壓泵區(qū)設(shè)置了1.9m高的平臺(tái),主要用于操作高壓泵進(jìn)料管道上的閥門和氮?dú)獯祾唛y組,同時(shí)也作為高壓泵出口管道和安全閥管道支架的生根點(diǎn),由于平臺(tái)長(zhǎng)度不大于8m,故只設(shè)置了一個(gè)直爬梯通向地面。
合成氣壓縮機(jī)的平臺(tái)由廠家設(shè)計(jì),設(shè)置了一個(gè)斜梯和一個(gè)直爬梯,以滿足操作、檢修和配管要求。
兩臺(tái)高壓泵進(jìn)、出口管道對(duì)稱布置。之前某項(xiàng)目中,高壓泵出口管道的前4個(gè)支架都生根在鋼平臺(tái)上,導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中振動(dòng)較劇烈(整個(gè)鋼平臺(tái)都跟著振動(dòng))??偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)后,該項(xiàng)目對(duì)管道布置和平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn),出口高壓側(cè)管道前4個(gè)支架生根在地面混凝土墩上,同時(shí)選用防振限位支架,以便盡可能避免或減少管系振動(dòng)。壓力低的高壓泵入口管道在平臺(tái)上分別進(jìn)入兩臺(tái)高壓泵入口,兩臺(tái)高壓泵的出口管道在平臺(tái)上合并后進(jìn)入預(yù)熱器。預(yù)熱器入口的調(diào)節(jié)閥組布置在靠近預(yù)熱器的15.5m平臺(tái)上,以便于操作和檢修。經(jīng)過預(yù)熱器預(yù)熱后的安全閥、溫度計(jì)、壓力變送器、切斷閥門等也布置在15.5m的平臺(tái)上以便于操作。該異辛烯管道在4m平臺(tái)上和從合成氣壓縮機(jī)來的合成氣合并后進(jìn)入高壓反應(yīng)器。由于合成氣為氣相,異辛烯為液相,合并后流體為氣液兩相流,為了減少管道振動(dòng),匯合點(diǎn)應(yīng)盡量靠近反應(yīng)器,同時(shí)氣液兩相流的管道盡可能短。綜合操作便利性和氣液兩相流振動(dòng)兩個(gè)因素,將匯合點(diǎn)設(shè)置在4m平臺(tái)上,距離反應(yīng)器管嘴大約4m。在滿足應(yīng)力分析和防振設(shè)計(jì)的條件下,兩相流管道盡量采用直管道,同時(shí)增加支架剛性。
高壓泵及壓縮機(jī)出口管道不僅要進(jìn)行靜力分析,還要將管道的單線圖(簡(jiǎn)稱ISO)、工藝流程圖、設(shè)備廠家圖紙、支架標(biāo)準(zhǔn)圖、保溫材料物理參數(shù)等提交給高壓泵廠家進(jìn)行動(dòng)力分析,并依據(jù)動(dòng)力分析結(jié)果和要求調(diào)整管道布置和支架位置。該項(xiàng)目廠家提出要在高壓泵出口安裝一個(gè)減振器,在對(duì)管道布置進(jìn)行修改并通過靜應(yīng)力分析后,再次由廠家進(jìn)行動(dòng)力分析,直至管道布置同時(shí)達(dá)到靜力分析和動(dòng)力分析的要求。壓縮機(jī)出口管道布置參照高壓泵管道出口布置。
頂部高壓系統(tǒng)主要由主反應(yīng)產(chǎn)物異壬醛管道(進(jìn)入蒸汽發(fā)生器進(jìn)行熱量回收)和頂部安全閥系統(tǒng)組成。高壓異壬醛管道設(shè)置彈簧架以吸收高壓反應(yīng)器的熱位移并控制反應(yīng)器管嘴力,同時(shí)便于壓力表和閥門的操作。高壓反應(yīng)器的安全閥布置在26m平臺(tái)上,考慮到高壓反應(yīng)器熱膨脹的影響并結(jié)合應(yīng)力分析返回條件,在安全閥進(jìn)口管道設(shè)置彈簧架以吸收反應(yīng)器的熱位移。頂部管線還需增加配對(duì)法蘭,以便于反應(yīng)器的檢修。
反應(yīng)器底部與地面距離為3.5m,底部高壓管道系統(tǒng)主要由高壓減壓系統(tǒng)和高壓泄壓系統(tǒng)組成。根據(jù)操作及檢修的要求,高壓減壓閥組和頂部檢修用的泄壓閥組應(yīng)布置在地面上,同時(shí)反應(yīng)器底部還要留有檢修空間,這使得反應(yīng)器底部本來就不寬裕的地面空間變得更加緊張。通過和應(yīng)力工程師及業(yè)主工程師的多次方案比較、修改,最終確定了反應(yīng)器底部地面管道布置。
根據(jù)工藝專業(yè)提供的條件,高壓管道中最苛刻的工作壓力為27.8MPa、工作溫度為192℃、安全閥整定壓力29.5MPa,參照G B/T20801.3—2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分:設(shè)計(jì)和計(jì)算》4.1中的設(shè)計(jì)條件,同時(shí)考慮200℃時(shí)316不銹鋼法蘭的最高許用壓力為29.7MPa,設(shè)計(jì)壓力取29.5MPa,設(shè)計(jì)溫度取200℃。
管道材料是管道設(shè)計(jì)的基石,直接影響到壓力管道的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性?,F(xiàn)有裝置的異壬醇高壓管道材料采用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)(DIN)發(fā)布的DIN17458中規(guī)定的1.4401不銹鋼材料,其化學(xué)成分和力學(xué)性能相當(dāng)于美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)規(guī)定的ASTM A312 TP316不銹鋼管道材料。由于其他管道采用ASME標(biāo)準(zhǔn),如果高壓管道要采用DIN標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼材料,則設(shè)計(jì)、采購(gòu)和施工都必須符合兩套標(biāo)準(zhǔn),將大大增加工程造價(jià)。于是該項(xiàng)目采用ASTMA 312316L/316雙牌號(hào)不銹鋼(化學(xué)成分符合316L,而力學(xué)性能可按316的要求選?。?。各標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。
表1 材料化學(xué)成分%
表2 材料力學(xué)性能
對(duì)廠家提供的材料進(jìn)行測(cè)試,各項(xiàng)數(shù)據(jù)均高于標(biāo)準(zhǔn)要求,可見選用316L/316雙牌號(hào)不銹鋼作為高壓管道系統(tǒng)的材料完全滿足設(shè)計(jì)要求。
根據(jù)G B50316—2008《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]3.2.1.1:
式中,pA——設(shè)計(jì)溫度下的許用壓力,MPa;
PN——公稱壓力,MPa;
[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa;
[σ]x——決定組成件厚度時(shí)采用的計(jì)算溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa;
以異壬醇裝置高壓管道系統(tǒng)最苛刻條件下的工況為例:高壓加氫甲?;欢畏磻?yīng)器到二段反應(yīng)器的主物料管道操作溫度192℃,操作壓力27.8MPa,設(shè)計(jì)溫度200℃,設(shè)計(jì)壓力29.5MPa,管道材料為ASTM A312316L/316雙牌號(hào)不銹鋼。查ASME B31.3-2012附表A-1,得到金屬的許用應(yīng)力值。200℃時(shí),[σ]t=134MPa;40℃時(shí),[σ]x=138MPa。經(jīng)計(jì)算得PN=30.4MPa。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取C L 2500磅(PN 42MPa)壓力等級(jí)。
根據(jù)ASME B16.5-2013中溫度壓力等級(jí)表2.2材料組別可以得到C L 2500磅等級(jí)的法蘭在192℃下的最高許用壓力為30.10MPa(內(nèi)插法),大于設(shè)計(jì)壓力29.5MPa。說明管道等級(jí)選取是合適的。
根據(jù)G B50316—2008:
其中,ts——直管計(jì)算壁厚,mm;
p——設(shè)計(jì)壓力,MPa;
D0——管道外徑,mm;
Ej——焊接接頭系數(shù);
tsd——直管設(shè)計(jì)壁厚,mm;
Y——溫度影響系數(shù);
C——厚度附加量之和,mm;
C1——厚度減薄附加量,包括加工、開槽和螺紋深度及材料厚度負(fù)偏差,mm;
C2——腐蝕或磨蝕附加量,mm。
以DN100mm的高壓管道為例,計(jì)算管道壁厚。管道設(shè)計(jì)壓力p=29.5MPa;管道外徑D0=114.3mm;管道在設(shè)計(jì)溫度200°C下的許用應(yīng)力 [σ]t=134MPa;無(wú)縫鋼管的焊接接頭系數(shù)Ej=1.0;經(jīng)查表,溫度低于482°C時(shí),奧氏體不銹鋼的溫度影響系數(shù)Y=0.4;根據(jù)工藝和腐蝕專業(yè)提供的數(shù)據(jù)得腐蝕裕量C2=1.5mm,厚度負(fù)偏差率為12.5%。經(jīng)計(jì)算得:ts=11.56mm,C1=1.45mm;tsd=14.51mm。
ASME B36.19M-2004規(guī)定最大壁厚為8.56mm,而標(biāo)準(zhǔn)中又指明ASME B36.10M-2004壁厚系列同樣適用于能夠從市場(chǎng)上購(gòu)買到的不銹鋼管道。對(duì)應(yīng)ASME B36.10M-2004中XXS160的管道壁厚為17.12mm,圓整至18mm。以上計(jì)算公式要求計(jì)算壁厚小于外徑(114.3mm)與6的比值(19.05mm),所以高壓管道DN100mm的管道壁厚選18mm是合適的。
異壬醇裝置高壓管道系統(tǒng)的應(yīng)力分析方法與普通壓力管道的應(yīng)力分析方法相同,都要校核一次應(yīng)力和二次應(yīng)力,但高壓管道壁比較厚、剛度大、柔性較差,所以在布置高壓管道時(shí),不僅要滿足操作、安裝和檢修的要求,還應(yīng)滿足應(yīng)力分析的要求,以保證管道系統(tǒng)在高壓下受到的推力和彎矩在合理范圍內(nèi)。由于C L 2500磅等級(jí)的法蘭在192℃下的許用應(yīng)力(30.30MPa)接近設(shè)計(jì)壓力(29.5MPa),該項(xiàng)目對(duì)高壓法蘭泄漏進(jìn)行了重點(diǎn)分析和計(jì)算。
一般情況下,在化工裝置管道設(shè)計(jì)過程中,標(biāo)準(zhǔn)法蘭是不需要校核的。但以下情況下需要校核法蘭以確保管道系統(tǒng)安全:(1)非標(biāo)法蘭;(2)法蘭泄露會(huì)帶來巨大危害,例如極度危害介質(zhì)的管道;(3)法蘭處可能存在大的彎矩;(4)其他項(xiàng)目規(guī)定或業(yè)主要求需要校核的情況。
應(yīng)力分析軟件CAESAR II常用的法蘭校核方法有等效壓力法和ASME SEC VIII方法。其中等效壓力法于20世紀(jì)50年代由Kellogg公司發(fā)明,被廣泛運(yùn)用于工程領(lǐng)域。但其具有很大的保守性,根據(jù)利用等效壓力法計(jì)算法蘭設(shè)計(jì)壓力的工程經(jīng)驗(yàn),等效壓力值超過設(shè)計(jì)壓力值20%以內(nèi)可以認(rèn)為該法蘭是安全的。
當(dāng)量壓力計(jì)算公式[3]:
式中,peq——當(dāng)量壓力,MPa;
p1——管道工作壓力,MPa;
M——法蘭承受的彎曲力矩,N·m;
Mx——法蘭在某一方向所承受的彎曲力矩,N·m;
My——法蘭在與上述方向的垂直方向所承受的彎曲力矩,N·m;
F——法蘭所承受的拉力(不包括內(nèi)壓產(chǎn)生的拉力),N;
D——墊片的計(jì)算直徑,m m;
以DN100mm反應(yīng)器出口管道為例,根據(jù)應(yīng)力報(bào)告230節(jié)點(diǎn)法蘭的受力情況為:Mx=181N·m,My=-1784N·m,則 M=1793N·m,F(xiàn) 在x軸方向是受壓力,F(xiàn)=-2608N。DN100的CL2500磅等級(jí)的法蘭墊片計(jì)算直徑為157.16mm,則peq=2.22MPa,法蘭的設(shè)計(jì)壓力p=30.02MPa。等效壓力為法蘭設(shè)計(jì)壓力的7.4%左右,小于20%,說明該法蘭不存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
設(shè)計(jì)過程中,如果法蘭用等效壓力法驗(yàn)算不通過的話,需要采用ASME SEC VIII法蘭校核方法進(jìn)行進(jìn)一步校核和分析,以確保其在設(shè)計(jì)過程中的安全性。
異壬醇裝置高壓管道具有管壁厚、管道等級(jí)高等特點(diǎn),因此在其施工過程中要給予高度重視。材料檢驗(yàn)、焊接工藝評(píng)定、焊前及焊后熱處理、管道安裝等都要進(jìn)行嚴(yán)格控制和管理。根據(jù)G B50316—2008中的5.2.4,當(dāng)無(wú)縫鋼管用于設(shè)計(jì)壓力大于或等于10MPa時(shí),不銹鋼的出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目不應(yīng)低于G B/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》規(guī)定[2]。
法蘭安裝時(shí)不可采用預(yù)制管道代替閥門、儀表件、特殊件等進(jìn)行試壓后的組裝定位,現(xiàn)場(chǎng)焊縫對(duì)口前,法蘭連接件必須連接完成,同時(shí)管架應(yīng)已按設(shè)計(jì)要求正確安裝完成,不能脫空及預(yù)加設(shè)計(jì)要求之外的任何附加載荷。此外,應(yīng)經(jīng)施工管理人員檢驗(yàn)合格后才能進(jìn)行對(duì)口焊接,同時(shí)還需嚴(yán)格控制施工附加應(yīng)力,以避免其作用到法蘭連接面。高壓法蘭的密封采用金屬環(huán)墊,應(yīng)符合S H/T 3403—2013《石油化工鋼制管法蘭用金屬環(huán)墊》或與其相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)規(guī)定。[4]環(huán)槽面法蘭裝配前,法蘭環(huán)槽密封面與金屬環(huán)墊應(yīng)進(jìn)行接觸線檢查,當(dāng)金屬環(huán)墊在密封面上轉(zhuǎn)動(dòng)45°后,檢查接觸線不得有間斷現(xiàn)象。法蘭螺栓的緊固應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目規(guī)定選用緊固工具和緊固程序,法蘭緊固的力矩值應(yīng)符合項(xiàng)目規(guī)定的要求。
異壬醇裝置高壓管道設(shè)計(jì)涉及設(shè)備布置、管道布置、三維模型建立和單線圖生成、材料選型、應(yīng)力計(jì)算、支吊架設(shè)計(jì)、土建條件發(fā)布、保溫涂漆設(shè)計(jì)、供貨商圖紙審查及技術(shù)澄清等內(nèi)容,是團(tuán)隊(duì)協(xié)作性要求較高的項(xiàng)目。所以在高壓管道設(shè)計(jì)中不僅要做好本專業(yè)的工作,還要協(xié)調(diào)好其他專業(yè)的工作以不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、保證高壓管道在設(shè)計(jì)階段的安全性,同時(shí)在重要的施工節(jié)點(diǎn)增加施工說明,提醒施工單位重視施工方法和程序,保證施工質(zhì)量,只有這樣才能盡可能地將高壓管道的泄漏風(fēng)險(xiǎn)降到最低。
[1]G B50160—2008石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].
[2]G B50316—2008工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[3]張德姜,王懷義,劉邵葉.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[M].4版.北京:中國(guó)石化出版社,2009:678.
[4]王懷義.石油化工管道安裝設(shè)計(jì)便查手冊(cè)[M].3版.北京:中國(guó)石化出版社,2010:369.