盧奪，付艷波

（洛陽(yáng)瑞澤石化工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

石化行業(yè)的溶劑脫瀝青裝置，是通過(guò)溶劑的作用把減壓渣油中很難轉(zhuǎn)化的瀝青質(zhì)和稠環(huán)化合物，以及對(duì)催化轉(zhuǎn)化過(guò)程有害的重金屬和硫、氮化合物脫除出去，產(chǎn)出質(zhì)量較好的脫瀝青油作為催化裂化和加氫裂化裝置的原料[1-2]。

溶劑脫瀝青裝置由于熱量需求大，加熱點(diǎn)需求多，加熱溫度要求高，往往選用封閉循環(huán)式導(dǎo)熱油系統(tǒng)作為介質(zhì)升溫方式。導(dǎo)熱油作為工業(yè)油，具有抗熱裂化和化學(xué)氧化的性能，傳熱效率好，散熱快，熱穩(wěn)定性好，可以在幾乎常壓的條件下，獲得很高的操作溫度，大大降低高溫加熱系統(tǒng)的操作壓力和安全要求，提高了系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性。另外還可以在更寬的溫度范圍內(nèi)滿足不同溫度加熱、冷卻的工藝需要，或在同一個(gè)系統(tǒng)中用同一種導(dǎo)熱油同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫加熱和低溫冷卻的工藝要求，降低系統(tǒng)和操作的復(fù)雜 性[3-5]。

溶脫裝置內(nèi)導(dǎo)熱油整體工藝流程一般為：導(dǎo)熱油緩沖罐→導(dǎo)熱油回油總管→導(dǎo)熱油過(guò)濾器→導(dǎo)熱油泵→導(dǎo)熱油加熱爐→導(dǎo)熱油供油總管→各換熱器→導(dǎo)熱油回油總管→導(dǎo)熱油過(guò)濾器……

因以下幾個(gè)特點(diǎn)，導(dǎo)熱油系統(tǒng)的管道應(yīng)力分析工作，一直是同類裝置管道設(shè)計(jì)，裝置平面布置的難點(diǎn)與重點(diǎn)。以某溶脫裝置為例：

（1）導(dǎo)熱油系統(tǒng)龐雜，涉及到全裝置各個(gè)區(qū)域。此次導(dǎo)熱油進(jìn)油管系應(yīng)力分析，涉及到加熱爐1 臺(tái)，換熱器6 臺(tái)；導(dǎo)熱油回油管系應(yīng)力分析，涉及到導(dǎo)熱油緩沖罐1 臺(tái)，過(guò)濾器2 臺(tái)，換熱器6 臺(tái)，導(dǎo)熱油泵3 臺(tái)。換熱器、加熱爐、泵等各工藝設(shè)備按照工藝流程順序、平面布置規(guī)范要求，布置在裝置各處。

（2）介質(zhì)溫度高，密度大。導(dǎo)熱油進(jìn)油管道操作溫度為315 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.85 MPa；回油管道操作溫度為275 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.51 MPa。導(dǎo)熱油介質(zhì)密度為830 kg/m3。

（3）管道管徑大，壁厚厚，剛度大。進(jìn)油、回油總管管徑為DN 700，局部為DN 800，換熱器導(dǎo)熱油管道最大管徑DN 600。管道壁厚最大24.61 mm。

（4）該系統(tǒng)的應(yīng)力分析，涉及到泵、加熱爐等敏感設(shè)備，管嘴受力需滿足API 610、SH/T 3036、SH/T 3074 相關(guān)要求[6]。

（5）工況組合多，導(dǎo)熱油過(guò)濾器一開(kāi)一備，導(dǎo)熱油泵兩開(kāi)一備，此段管線共6 種操作工況。

1 裝置平面布置及導(dǎo)熱油系統(tǒng)管道布置

由于裝置用地大小限制，及考慮到工藝流程要求，設(shè)備平面布置如圖1 所示。

圖1 中，1#管橋長(zhǎng)度為79.25 米，A 軸至C 軸寬度為20 m，每跨9 m；2#管橋長(zhǎng)度為51.3 m，寬度為5 m，每跨7 m。

圖1 某溶脫裝置設(shè)備平面布置示意圖Fig.1 Layout of a solvent deasphalting unit

各換熱器導(dǎo)熱油進(jìn)口管線，分別從導(dǎo)熱油進(jìn)油總管引出，經(jīng)管橋側(cè)梁，引至換熱器入口；換熱后，經(jīng)管橋側(cè)梁，匯入導(dǎo)熱油回油總管。

2 應(yīng)力分析過(guò)程中的幾個(gè)難點(diǎn)探討

2.1 導(dǎo)熱油進(jìn)油總管和回油總管在管橋上是否進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償

由平面布置得知，導(dǎo)熱油進(jìn)油總管為最長(zhǎng)管系（導(dǎo)熱油加熱爐至導(dǎo)熱油進(jìn)油總管，再至各換熱器），該管系在平面布置上呈C 狀。最長(zhǎng)段為1#管橋上，為60.3 m。根據(jù)線漲量計(jì)算公式ΔX=αLXΔT計(jì)算。式中α為管道材料從安裝溫度變化到操作溫度的平均線膨脹系數(shù)，查得為1.300 5×10-5mm/（mm·℃）；LX為管道長(zhǎng)度，按60 300 mm 計(jì)算；ΔT為管道從安裝狀態(tài)（一般取20 ℃）到操作狀態(tài)的溫度變化值，按295 ℃計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為231.34 mm。

考慮到在1#管橋上，適當(dāng)位置設(shè)置止推管卡，將該管段分為兩部分，每段熱漲不超過(guò)150 mm，再適當(dāng)加長(zhǎng)管托，導(dǎo)熱油供油總管和回油總管不再設(shè)置漲力彎進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，有利于管道和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并節(jié)省項(xiàng)目投資。

2.2 導(dǎo)熱油進(jìn)油總管和回油總管在管橋上的位置

在設(shè)計(jì)初期，導(dǎo)熱油進(jìn)油總管和回油總管，布置在1#管橋靠近A 軸處。在應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，此設(shè)計(jì)方式雖然減少了進(jìn)油總管1#管橋與2#管橋間的距離，但是對(duì)于構(gòu)-1 上的3 臺(tái)換熱器，與進(jìn)油總管和回油總管連接的分支管道應(yīng)力計(jì)算，非常不利，距離加長(zhǎng)約15.55 m。同時(shí)，進(jìn)油總管和回油總管與1#管橋上的換熱器分支管道連接，也只有高度方向的變化，沒(méi)有水平方向的變化，不利于管道因熱漲產(chǎn)生的位移吸收。

根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，導(dǎo)熱油進(jìn)油總管和回油總管最終布置在1#管橋靠近C 軸處。

2.3 溫控閥組的布置設(shè)計(jì)

工藝流程中，因加熱溫控需要，每個(gè)換熱器均設(shè)置了三閥組形式的調(diào)節(jié)閥組。其中E-1302 與E-1203導(dǎo)熱油管徑為DN 600，其調(diào)節(jié)閥單臺(tái)重量達(dá)到了2.1 t，切斷閥、旁通閥單臺(tái)重量達(dá)到了3.9 t。該部分調(diào)節(jié)閥組布置在1#管橋24.5 m 平臺(tái)上。

如果采用普通的立式調(diào)節(jié)閥組布置形式，經(jīng)用CAESAR Ⅱ計(jì)算，承重閥組的單點(diǎn)荷載在操作工況下超過(guò)了15 t。此設(shè)計(jì)方案，一方面不利于設(shè)備管嘴受力，同時(shí)也不利于土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，另外一方面，由于閥門、管件尺寸大，閥門安裝高度較高，不利于閥組的穩(wěn)定性，也不利于現(xiàn)場(chǎng)操作。

最終E-1302 與E-1203 的溫控調(diào)節(jié)閥布置采用平面布置方法，每個(gè)調(diào)節(jié)閥組的承重點(diǎn)由原來(lái)的3～4個(gè)點(diǎn)增加至7～8 個(gè)點(diǎn)，各承重點(diǎn)的荷載大部分在4 t左右，一般不大于8 t。

2.4 過(guò)濾器出入口管道的設(shè)計(jì)

導(dǎo)熱油泵前過(guò)濾器，布置在管廊下方，考慮到操作、檢修需要，距離較近。但其導(dǎo)熱油操作工況為一開(kāi)一備，增加了管系應(yīng)力分析難度。如果采用一般管道的過(guò)濾器的布置形式，管嘴受力及力矩達(dá)到了20 多噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了壓力容器開(kāi)口接管荷載要求[7-8]。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)抬高集合管安裝標(biāo)高，各過(guò)濾器分支分別從集合管引出，分支增加U 型布置，增加彈簧設(shè)計(jì)，使用聚四氟乙烯摩擦副降低摩擦系數(shù)等手段，降低了過(guò)濾器出入口管線的各種工況情況下的應(yīng)力水平，最終滿足壓力容器開(kāi)口接管荷載要求。

3 最終方案

通過(guò)合理分段，并多次調(diào)整管道布置形式，增加必要的彈簧支撐，最終完成多種工況下，復(fù)雜導(dǎo)熱油系統(tǒng)的一次、二次應(yīng)力、位移量的校核。保證了各個(gè)壓力容器、泵、加熱爐管嘴受力滿足開(kāi)口接管荷載要求，各設(shè)備管嘴法蘭連接校核通過(guò)。在個(gè)別壓力容器管嘴受力和力矩?zé)o法滿足SH/T 3074《石油化工鋼制壓力容器》的情況下，將其受力及力矩值反饋至設(shè)備專業(yè)，保證校核通過(guò)。

4 結(jié)論

（1）合理分段進(jìn)行應(yīng)力分析，既降低計(jì)算難度，又確保計(jì)算合理。導(dǎo)熱油系統(tǒng)復(fù)雜，一般由多人設(shè)計(jì)，整體一次性輸入后，保證應(yīng)力計(jì)算合格較為困難?？蓪?duì)每個(gè)分支管系單獨(dú)進(jìn)行應(yīng)力分析合格后，再合并整體校核計(jì)算，可降低整體管系的計(jì)算難度。

圖2 導(dǎo)熱油進(jìn)油管線應(yīng)力模型Fig.2 Stress analysis model of the heat transfer oil inlet pipeline

圖3 導(dǎo)熱油回油管線應(yīng)力模型Fig.3 Stress analysis model of the heat transfer oil outlet pipeline

圖4 導(dǎo)熱油過(guò)濾器至導(dǎo)熱油泵管線應(yīng)力模型Fig.4 Stress analysis model of pipeline from heat transfer oil filter to heat transfer oil pump

（2）由于導(dǎo)熱油供油總管和回油總管管徑大，合理布置該管線在管廊上的整體走向、位置，能夠增加管道整體柔性，并對(duì)各導(dǎo)熱油分支管線的應(yīng)力分析具有重要意義。

（3）合理選擇管廊上導(dǎo)熱油總管止推位置，確保推力小于3 t。

（4）根據(jù)實(shí)際情況確定換熱器的固定端與活動(dòng)端，有利于提高管系柔性。一般設(shè)計(jì)過(guò)程中，換熱器固定端設(shè)置于管程側(cè)?？紤]到管道熱漲方向與換熱器熱漲方向一致，有利于減小換熱器管嘴受力，固定端可設(shè)置于殼程側(cè)。

（5）合理布置導(dǎo)熱油溫控用調(diào)節(jié)閥組的布置形式，對(duì)換熱器管嘴受力，土建結(jié)構(gòu)受力，有較好的效果。

（6）合理設(shè)置彈簧，兼顧管道柔性和穩(wěn)定性。

（7）對(duì)于最好應(yīng)力設(shè)計(jì)結(jié)果，管嘴受力超出SH/T 3074 要求時(shí)，向設(shè)備專業(yè)提出受力條件，確保設(shè)備能夠承受管道對(duì)其管口的推力和力矩；

（8）對(duì)設(shè)備專業(yè)支腿等，一些無(wú)法滿足管道應(yīng)力分析要求的其他專業(yè)，提出合理的修改意見(jiàn)。