(中國(guó)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(fù)雜，物料多為易結(jié)晶介質(zhì)，眾多管線需要進(jìn)行伴熱設(shè)計(jì)。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(méi)有外部加熱會(huì)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(shí)，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(wú)法替代的，其設(shè)計(jì)也是尿素項(xiàng)目管道設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。

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(guò)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(dòng)著起保溫及加熱作用的蒸汽，通過(guò)蒸汽的循環(huán)來(lái)補(bǔ)充夾套內(nèi)管中的熔融尿液在輸送時(shí)的熱損失，通過(guò)對(duì)流完成熱交換，保持夾套內(nèi)管中的熔融尿液溫度相對(duì)恒定，從而完成對(duì)工藝介質(zhì)的輸送。

筆者根據(jù)尿素裝置設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合自身工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)蒸汽夾套管設(shè)計(jì)和管件選用的要點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 尿素裝置蒸汽夾套管設(shè)計(jì)原則

1.1 工藝流程分析

在尿素生產(chǎn)的整個(gè)工藝流程中，涉及到蒸汽夾套管設(shè)計(jì)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(shí)壓力約為0.04MPa(a)，溫度由135 ℃降至91.6 ℃，閃蒸出相當(dāng)一部分水、NH3和CO2。離開(kāi)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(guò)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(jìn)行造粒，造粒塔底得到的成品顆粒尿素由膠帶輸送機(jī)送至包裝樓進(jìn)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(kāi)車時(shí)，在還未達(dá)到所要求的尿液濃度之前，濃縮的尿液通過(guò)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(dòng)性良好，防止過(guò)程中的尿液析出結(jié)晶，此兩根管線需要進(jìn)行夾套蒸汽伴熱。同時(shí)，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(dāng)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(jì)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(cè)，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇何種形式需從保溫效果、焊縫檢測(cè)、造價(jià)等方面綜合考慮。筆者參與的河南某尿素項(xiàng)目便采用的是法蘭式夾套管(見(jiàn)圖1)，便于拆卸，但造價(jià)較高。由中國(guó)五環(huán)工程有限公司承接的華魯恒升項(xiàng)目便采用的是管帽式夾套管(見(jiàn)圖2)，并且彎頭外露，需做好伴熱。無(wú)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(yàn)收規(guī)范》中的規(guī)定進(jìn)行施工驗(yàn)收。內(nèi)管焊縫隱蔽型夾套管，在內(nèi)管焊縫處的套管應(yīng)留不少于75 mm的長(zhǎng)缺口，待內(nèi)管焊縫經(jīng)100%射線檢測(cè)，試壓合格后方可進(jìn)行隱蔽作業(yè)。

圖1 內(nèi)管、套管與法蘭對(duì)焊連接

圖2 管帽式夾套管

1.3 蒸汽夾套管尺寸及長(zhǎng)度確定

蒸汽夾套管設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是確定其尺寸及長(zhǎng)度，而長(zhǎng)度會(huì)影響管內(nèi)流體的特性。隨著其長(zhǎng)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(zhǎng)度應(yīng)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(duì)法蘭，直管部分可以20 m設(shè)一對(duì)。但對(duì)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(duì)法蘭，以便于拆卸疏通。蒸汽夾套管的尺寸(見(jiàn)表1)通常按主管的尺寸進(jìn)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(yīng)力

在進(jìn)行尿素裝置蒸汽夾套管設(shè)計(jì)時(shí)，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(huì)產(chǎn)生不同的熱應(yīng)力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮這些因素，分別進(jìn)行內(nèi)外管的熱應(yīng)力計(jì)算。當(dāng)內(nèi)外管的熱應(yīng)力相差很大時(shí)，在進(jìn)行夾套管布置時(shí)應(yīng)考慮增加管道的自然補(bǔ)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(jì)要求，需要適當(dāng)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(yīng)充分考慮導(dǎo)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(yīng)設(shè)置合理的自然補(bǔ)償，同時(shí)，由于需控制尿液管道中縮二脲的含量，尿液管道的總長(zhǎng)通常是越短越好，一般不得超過(guò)90 m，以縮短停留時(shí)間。因此，在進(jìn)行夾套管配管設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮這兩方面需求。筆者參與的河南某尿素項(xiàng)目通過(guò)設(shè)置5個(gè)膨脹節(jié)解決了此問(wèn)題。

1.5 蒸汽夾套管的材料等級(jí)、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度

在尿素裝置中，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，蒸汽夾套管內(nèi)管的材料等級(jí)為3U7(A312 TP304L)，外管的材料等級(jí)為1S1(A53-B)。夾套管內(nèi)管的外壓、外管的內(nèi)壓應(yīng)為外管內(nèi)蒸汽的設(shè)計(jì)壓力。應(yīng)力分析的計(jì)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(shí)應(yīng)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(dāng)夾套管內(nèi)管彎頭的曲率半徑R1≤1.5DN時(shí)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)圖3。內(nèi)管和套管彎頭的曲率半徑R1和R2的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)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(yīng)采用剖切型，分橫切和縱切兩種剖切方式，現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)進(jìn)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(gè)等級(jí)，從大口徑管線上引出的分支管應(yīng)采用焊接短管。若采用凸臺(tái)連接，引出的方式見(jiàn)圖4，以避免碰撞套管；若三通或者凸臺(tái)未滿足壓力要求，則應(yīng)該采用加強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng)(見(jiàn)圖5)。

圖4 支管通過(guò)凸臺(tái)引出

圖5 支管通過(guò)直接開(kāi)孔引出

2.3 異徑管

蒸汽夾套管應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)異徑管變徑。為了減少熱膨脹時(shí)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(yīng)錯(cuò)開(kāi)布置，且相互間距不應(yīng)少于50 mm。當(dāng)采用偏心異徑管時(shí)，由于內(nèi)管和套管的異徑管均為標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)，內(nèi)管與外管便會(huì)有相撞的可能，此時(shí)必須在安裝時(shí)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(jiàn)圖6。

圖6 夾套異徑管安裝示意

2.4 夾套法蘭

當(dāng)夾套管為完全夾套時(shí)，管道上的法蘭為夾套法蘭，其壓力等級(jí)應(yīng)該根據(jù)內(nèi)管的設(shè)計(jì)條件來(lái)確定，夾套法蘭的尺寸根據(jù)內(nèi)外管的尺寸來(lái)確定。當(dāng)夾套管的內(nèi)管材質(zhì)為碳鋼時(shí)，法蘭采用帶頸平焊夾套法蘭。當(dāng)夾套管的內(nèi)管材質(zhì)為不銹鋼時(shí)，采用帶頸對(duì)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(yán)格按照要求進(jìn)行安裝。蒸汽跨接管的入口應(yīng)該布置在正上方或朝上，出口應(yīng)該布置在正下方或朝下。當(dāng)夾套閥門的尺寸大于或等于DN150×200時(shí)，其蒸汽跨接管設(shè)置數(shù)量不得少于4個(gè)，當(dāng)夾套閥門尺寸小于或等于DN100×150時(shí)，應(yīng)設(shè)置大約3個(gè)跨接管，并且其安裝方位應(yīng)便于檢修和操作(見(jiàn)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(yīng)采用定位板的方式進(jìn)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(yīng)影響到內(nèi)管的熱位移和介質(zhì)流動(dòng)。若在彎頭處設(shè)置定位板，不應(yīng)影響到夾套內(nèi)、外管的熱位移，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)宜設(shè)置在離彎頭100 mm的地方。定位板長(zhǎng)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(jiàn)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(jìn)行夾套管伴熱的管道具有坡度要求，在設(shè)計(jì)蒸汽夾套管時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：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(yīng)與管道坡度一致；②蒸汽應(yīng)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(yīng)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(zhǎng)度不宜超過(guò)6m，應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)氣袋或液袋，管道不應(yīng)有死角。若無(wú)法避免，應(yīng)該設(shè)置放空或者導(dǎo)淋排凈設(shè)施；④蒸汽夾套管的夾套閥門應(yīng)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(yīng)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(yīng)設(shè)置在最高點(diǎn)，以避免出現(xiàn)氣袋和液袋，疏水閥應(yīng)設(shè)在最低點(diǎn)。蒸汽供給方式見(jiàn)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(zhǎng)度范圍內(nèi)，每節(jié)夾套管間的蒸汽管宜采用跨接管進(jìn)行串聯(lián)，跨接管應(yīng)采用法蘭連接。其尺寸應(yīng)該與蒸汽供給管一致，其材質(zhì)一般應(yīng)與套管材質(zhì)相同，但當(dāng)蒸汽溫度≤200 ℃時(shí)，可以使用銅管，當(dāng)跨接管尺寸為DN20時(shí)，銅管尺寸為φ12或φ10；當(dāng)跨接管尺寸為DN15時(shí)，銅管尺寸為φ10或φ8。各種跨接管的布置見(jiàn)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(yǔ)

蒸汽夾套管的設(shè)計(jì)在整個(gè)尿素裝置設(shè)計(jì)中是一大難點(diǎn)，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到尿素產(chǎn)品的質(zhì)量，以及整個(gè)裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。在進(jìn)行蒸汽夾套管設(shè)計(jì)時(shí)，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(dá)到最佳的伴熱效果。本文通過(guò)對(duì)尿素生產(chǎn)的工藝流程進(jìn)行分析，介紹了尿素裝置蒸汽夾套管設(shè)計(jì)和管件的選用原則，并對(duì)其布置要點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)探討，對(duì)今后類似生產(chǎn)項(xiàng)目具有一定的借鑒意義。