丙烷脱氢装置金属膨胀节的设计研究

2017-09-15廖强，倪明

化工技术与开发 2017年8期

关键词：丙烷波纹管反应器

廖强，倪明

（中建安装工程有限公司，江苏南京 210049）

丙烷脱氢装置金属膨胀节的设计研究

廖强，倪明

（中建安装工程有限公司，江苏南京 210049）

本文结合工程实际，从金属膨胀节的合理布置、波纹管材料的科学选用以及结构设计三个方面，详细阐述了50万t·a-1丙烷脱氢制丙烯装置中，高温管系金属膨胀节的设计要点，以从根本上防止和减少膨胀节失效的发生，保证丙烷脱氢制丙烯装置中高温管道系统的长周期安全平稳运行。

丙烷脱氢装置；金属膨胀节；管道应力

CBI LUMMUS的丙烷脱氢制丙烯装置（简称PDH装置），其工艺采用卧式固定床反应器和Cr2O3-Al2O3催化剂将丙烷脱氢转化为丙烯。50万t·a-1的PDH装置，反应工段由8台反应器平行布置组成，按循环方式操作，使物料实现连续不间断流动。PDH装置的反应区主要包括原料烃进出口管道系统、催化剂再生热空气管道系统以及反应器抽真空管道系统等三大管道系统。这些管道系统具有操作温度高、压力低、管径大的特点，通过自然补偿的方法难以满足管道热膨胀的要求，需采用金属膨胀节来吸收管系的热位移[1]。

PDH装置反应区使用的金属膨胀节大约140个，其中涉及多种不同结构类型的膨胀节，科学合理地设计这些膨胀节，对于保证整个PDH装置的长周期安全平稳运行具有十分重要的意义。本文结合工程实际，借鉴以往装置的设计经验，从膨胀节的布置、波纹管选材和结构设计三方面，介绍PDH装置金属膨胀节的特点。

1 膨胀节的布置

丙烷脱氢反应器工艺物料进出口管线是PDH装置的关键管线之一。新鲜的丙烷原料和回收利用的丙烷一起经加热炉升温至593℃，经进料总管由反应器顶部进入，丙烷在催化剂的作用下进行脱氢反应得到丙烯，高温反应产物经底部集合管输送到蒸汽发生器进行热量回收。反应区中的8台卧式反应器并排布置，反应器之间相隔一定的距离，装置操作时每台反应器都要经历脱氢、再生、吹扫抽真空的循环过程。8台反应器中3台进行脱氢操作时，另外3台进行催化剂再生操作，还有2台进行吹扫并抽真空，一个完整的循环过程历时24min。为了让工艺进出口总管在反应器处于不同操作工况的情况下，仍然能够受热均匀，始终保持在一恒定温度，管道布置需满足一定要求，其典型布置如图1所示。

图1 丙烷进料管线膨胀节布置图

从图1中可看到，控制反应器连续切换的液压阀直接与反应器设备口对接。在连续操作情况下，每台反应器的一个完整循环只耗时24min，在管道外保温条件良好的情况下，如此短的时间，管道系统的热量损失有限，避免了不同管段间产生温差的可能性，基本能保证整个管线温度恒定不变，还可以有效地避免各种复杂的工况组合。每2台反应器之间的管段布置2个开长圆孔铰链式膨胀节，该膨胀节的特点是工作时既可以绕销轴转动变形，也可以沿轴向压缩或拉伸。丙烷进料总管上共布置18个（SP-07019～SP-07027，SP-07029～SP-07037），通过铰链膨胀节的协调变形，可吸收反应器不同操作工况下竖直方向的热位移差，两膨胀节之间管段的轴向热位移靠膨胀节的压缩变形吸收。

由于开长圆孔的铰链组件不能承受波纹管产生的盲板力，因此必须在总管两端设置主固定点，用于承受膨胀节产生的盲板推力[2]。为了增加整个管系的稳定性，防止膨胀节受压失稳，在进出反应器管口的竖直管上分别设置了导向约束。应用基于有限元理论的分析软件CaesarⅡ对该管道系统进行了应力计算，结果表明该管系走向合理，膨胀节布置方案正确有效，管道应力和设备管口载荷均满足相关规范的要求。

2 波纹管材质选择

波纹管是金属膨胀节的核心组成部分，其壁厚远比相连管道壁厚要薄，是整个膨胀节最薄弱的环节，因此波纹管的选材对于保证膨胀节的正常使用至关重要[3]。PDH装置反应区工艺管线工作介质温度高，物料在高温情况下容易结焦，加上装置现场空气环境中氯离子含量高，因此在膨胀节设计时，必须考虑波纹管材料的耐高温、耐腐蚀性能。

反应区工艺管线的材质为奥氏体不锈钢321H，通常情况下，波纹管材料和主管材质相同即可，但由于该装置现场气候条件特殊，321H奥氏体不锈钢有发生氯离子应力腐蚀、晶间腐蚀的风险，故对波纹管材料进行升级。目前大型石油化工装置中，常用的耐高温、耐腐蚀波纹管材料有Incone 1625、Incoloy 800、Incoloy 800H和Incoloy 825等合金[4]，其标准化学成分见表1。Incone 1625合金是镍基Cr-Ni-Mo高温合金，加入了稳定化元素Nb，主要应用于含硫化物、氯离子等工艺介质的管道上，使用温度在650℃以下时各种机械性能良好，同时能抵抗氯离子产生的应力腐蚀开裂。和Incoloy 800系合金相比，Incone 1625中合金元素Cr、Ni含量高，因此价格也相对高。Incoloy 800合金是铁基高温耐蚀合金，广泛用于高温、腐蚀环境，使用温度一般不超过593℃，其耐蚀性比一般的奥氏体不锈钢要好，但相对而言，其耐晶间腐蚀的敏感性更大。Incoloy 800H合金相比Incoloy 800提高了碳组分的含量，其高温强度性能更好，使用的温度极限为850℃，在750℃附近使用最能发挥材料的机械性能。相比以上各种材料的使用性能和经济性，波纹管采用Incoloy 825合金是较理想的选择。

从表1中可看出，Incoloy 825的碳含量较低，较高的Cr、Ni、Ti和适量的Mo、Cu使其具有良好的耐氯离子应力腐蚀能力和耐点蚀、缝隙腐蚀性能，同时在550℃以下温度其耐晶间腐蚀能力也是良好的。Incoloy 825板材的供货状态要求为固溶处理，但由于波纹管液压成型过程中必然发生塑性变形，会在材料内部产生很高的残余应力，为应力腐蚀创造了条件，因此波纹管在成型后必须进行整体热处理。

表1 各种耐高温合金的化学成分 /W%

3 膨胀节结构设计

3.1 双层结构

PDH装置反应区物料管线上的膨胀节都采用双层带报警结构，双层波纹管的每一层都可独立承受工作介质的设计压力和温度，每一层最小壁厚为1.6mm，在两层波纹管之间引出一段3/4”的小管作为报警装置接口，波纹管之间充特定压力的惰性气体。当内层泄漏时报警装置会显示，提醒操作人员或检修部门准备购买备件，在此期间外层波纹管可继续使用，直到装置正常停工检修时再更换。波纹管通过机械胀压或液压的方式制造成型，只允许有沿径向的焊缝，焊缝的强度、物理属性和厚度需与母材一致，径向焊缝需进行100%射线探伤检测。波纹管与膨胀节主体管段焊接之前，两层波纹管需通过电阻焊的方式焊为一体，如图2所示。波纹管与短管连接的环向角焊缝需进行100%渗透检查。

3.2 内隔热及吹扫结构

PDH装置反应区工艺管线的设计温度为649℃，但该管道系统上的膨胀节均设计有内保温结构，以确保波纹管在正常使用条件下，金属壁温不超过320℃，短期最高温度不超540℃，并将这些参数作为波纹管的设计条件。内隔热材料必须严格控制氯离子含量，避免装置开停车时吸潮使材料内所含的氯离子被淋洗出来。除设计有内隔热外，衬里结构对此类膨胀节的安全使用也十分重要，内衬可以减小流体对膨胀节的冲刷效应，内衬与膨胀节的焊接结构和质量直接关系到整个膨胀节的使用效果。从国内外同类装置的实践经验来看。内衬端部仅通过角焊的方式搭接在膨胀节上的这种结构不牢固，使用过程中内衬容易脱落，应采用如图3所示的焊接结构，即内衬端部反向坡口与短管内壁全焊透，加中间塞焊的方式。

为防止工艺物料沿内隔热层的间隙滞留在波纹管内部，避免工艺介质在局部高温条件下在波纹管内壁发生结焦，该管道系统上的膨胀节都设计了吹扫结构。2”的环形吹扫总管上沿环向均布有8根3/4”的分支管，每根分支管水平管段上均设有孔板，有利于吹扫介质分布均匀。分支管应具备足够柔性，用于吸收膨胀节主体与吹扫总管之间的热膨胀差，其结构如图4所示。进反应器物料管线上的膨胀节吹扫介质为丙烷，反应器出口工艺管线膨胀节则使用蒸汽作为吹扫介质，吹扫速度均不宜过快。

图4 单式铰链型金属膨胀节示意图

3.3 附件结构

高温区膨胀节用于承受内压产生的盲板推力的结构附件也需特殊设计。这类结构如铰链板、万向铰链等必须采用“悬浮”式连接，避免承压结构件直接与膨胀节本体焊接。图4中7～10即为悬浮式承压组件，浮动环（8）通过销轴与剪切环管（7）相连，剪切环管以环向角焊的方式与膨胀节本体连接，销轴（9）沿环向均布在剪切环管上。该结构与普通铰链式膨胀节相比，有利于将推力荷载沿膨胀节环向均匀分布，有效消除了膨胀节本体局部应力集中。