DMTO烯烃分离单元低温管道的设计

2014-10-11黎新理中石化洛阳工程有限公司洛阳471003

化工设计 2014年2期

黎新理中石化洛阳工程有限公司洛阳471003

甲醇制取低碳烯烃(DMTO)由反应技术和烯烃分离技术组成［1］。反应技术以催化剂的研制和反应系统开发设计为核心，以甲醇为原料生产烯烃混合物;烯烃分离技术则是以反应产物为原料，经杂质脱除、压缩、分离等过程生产聚合级乙烯和丙烯，其核心是杂质脱除和分离流程的开发及设计。DMTO装置烯烃分离单元采用中冷分离技术，仅有常规丙烯制冷，无乙烯制冷系统。烯烃分离单元管道设计温度可低至－115℃，存在大量通常意义上低于或等于－20℃的低温管道。本文主要从低温管道的选材、设计原则、管道保冷和管道支架设计等方面浅谈DMTO装置烯烃分离低温管道的设计。

1 低温管道选材

对于低温管道材料的技术要求一般是:在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性是最重要的因素。所以各国通常都对低温钢限定在最低使用温度下有一定的冲击韧性值，以保证低温钢材在使用中的安全性。根据GB 50316和GB 150标准的规定，钢材在夏比试验温度下冲击功的合格指标，应按钢材标准抗拉强度下限值确定，见表1。

烯烃分离单元低温材料的选用应经济合理，满足设计温度下的低温冲击韧性、防止管系的脆裂和脆断。低温钢应选用镇静钢即完全脱氧钢。一般地，设计温度为－20～－46℃时，可选用低温碳钢A333.GR.6;－46～－115℃时，可选用奥氏体高合金钢06 Cr19 Ni10。

表1 钢材在夏比试验下冲击功的合格指标

2 低温管道的设计要点

碳钢管在不低于－20℃时处于延性状态，可正常使用。如果使用温度低于或等于－20℃，碳钢管就逐渐变为以脆性为主，使用受到一定条件的限制。低温管道设计主要考虑两个问题:① 低温脆性;②保冷结构设计和由保冷需求而产生的一系列设计要求。其主要设计要点如下:

(1)低温管道的布置在满足管道柔性下应使管道短，弯头数量少，且应减少“液袋”。

(2)低温管道要考虑整个管道有足够的柔性，应充分利用管道的自然补偿。当无法自然补偿的时候，应设置补偿器。

(3)低温管道间距应根据保冷后的法兰、阀门、测量元件的厚度以及管道的侧向位移确定。

(4)低温管道上的法兰不宜与弯头或三通直接焊接。低温管道上，靠近弯头或三通处，一般不允许直接焊接法兰，为了拆卸螺栓时不破坏主管上的保冷层，需再延长一段长度后再焊接法兰。主管上的仪表管嘴焊接连接时，同样有此要求。对接法兰中只需要保证法兰一端留有拆卸螺栓的间距即可。为了说明一组控制阀顺利卸下其中任何一个阀门而不影响管道保冷结构，而需恰当布置阀门位置，见图1。

图1 调节阀组布置示意图

(5)低温管道上的阀门宜安装在水平管道上，阀杆方向宜垂直向上。低温阀门一般是指设计温度低于－46℃工作的阀门，其特点是主阀体与操作手轮之间装有气柱和加长阀盖结构。这种结构的作用使阀门从极低温度到工作点有一个温度梯度，等于或大于工作点时，气柱将处于某一能使液化气体不再是液态而回复为气态的温度，并且阀盖加长的长度应能使阀杆填料的材料保持在允许操作的公称温度范围内。为了避免液态气质充满气柱，低温阀门要求安装在水平管道上，阀杆方向一般要求垂直向上。根据管网状况，低温球阀安装方向也有正装、反装的区别。

(6)乙烯干燥器等设备由于存在再生工况，与之相连的管道隔热既要考虑保冷，又要考虑保温，因此保温厚度非常大。管道设计时应考虑管道的移动、管道与相邻的管道、设备及结构梁之间应留有足够大的间隙，特别是在弯头拐弯处，应充分考虑管道保温厚度，避免管道热胀时保冷层被相邻设备和结构梁破坏。

低温管道容易气化，需要采取温度安全阀等措施保障管网安全。

3 低温管道的保冷设计

选择经济保冷材料有最重要的两个技术指标:①是导热系数，因为导热系数与管道的热损失成正比，当有多种保冷材料可以选择时，材料的导热系数与其单位体积价格的乘积越小则越经济;②是密度，通常材料密度越小，其导热系数越小。目前国内的石化装置低温管道通常选用的保冷材料有硬质聚氨酯泡沫塑料和泡沫玻璃，其主要性能见表2。

表2 两种保冷材料的性能比较

对比各项指标，当设计温度大于或等于－65℃时，保冷层材料可选用硬质聚氨酯塑料泡沫;当设计温度低于－65℃时，在保证保冷层厚度基础上，宜采用复合保冷技术，即保冷层为泡沫玻璃和聚氨脂复合材料，内保为一层或多层泡沫玻璃瓦块，外保为聚氨酯瓦块。

当隔热层厚度≥80 mm时，应分层。当内外层采用同种材料时，内外层厚度应相同;当内外层采用不同材料时，内外层厚度的比例应保证内外层界面处温度绝对值不超过外层材料安全使用温度的0.9倍(摄氏温度)。

与奥氏体不锈钢表面接触的隔热材料应符合《工业设备及管道绝热工程施工及验收规范》GB J126要求，且其氯离子浓度不应超过25 ppm。

4 低温管道的支架设计

低温保冷管道的支架，必须有防止产生“冷桥”的措施［2］。低温管道水平敷设时，一般在管道底部垫有木块或硬质隔热材料块，以免管道中冷量损失;低温管道垂直敷设时，支架若生根在低温设备上，在设备和管道上均应垫有木块或硬质隔热材料块。

低温管道的支架设计应与其保冷结构一起整体考虑，支架的设计应在不破坏其保冷层的基础上进行。低温管道水平敷设时，一般采用管箍式结构，将支架管部紧固在保冷结构外，这样不仅降低了施工难度和工程造价，而且对日后管道的维护也提供了很大的方便。金属管夹用螺栓紧固，管夹与保冷层之间加有橡胶垫片，确保当管道发生变形时，管道与保冷层之间没有相对位移，保冷层不会被管道磨损，延长管道的使用寿命。当管道公称直径大于250 mm时，需在每个螺栓处设置加强板。螺栓与管道竖直方向的夹角为50°，这样可以减少平行敷设的管道之间的管间距，此角度可根据管托长度现场调整。图2为一种滑动支架结构形式。