石油化工装置大口径衬里管道设计

崔芳(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471000)

1 引言

对于催化裂化、MTO、FMTP 等装置来说，其衬里管道管径大、温度高，同时，介质普遍对管道内壁存在不同程度的腐蚀和冲刷。从耐腐蚀、抗冲刷，以及经济效益等多角度考虑，应选择一种最优的衬里管道布置方案。本文结合某MTO 装置烟气衬里管道，对此类管道的设计进行分析讨论。

2 烟气系统的工艺流程

MTO 装置再生后的烟气中含有部分催化剂，再生烟气首先经过再生器内的两级旋风分离器，将大部分的催化剂去除，残存的催化剂在经过三级旋风分离器后被除去。三旋出口的烟气依次经过双动滑阀和降压孔板后，经过烟气水封罐进入到CO 焚烧炉、余热锅炉，降至一定温度后排放至烟囱。事故工况下，水封罐出口的烟气直接排放至烟囱，见图1。这一系统的管道全部是高温、大口径衬里管道，此部分管道的设计方案对整个MTO 装置的平面布置影响重大。

图1 某MTO装置烟气系统的工艺流程

3 烟气衬里管道的管道设计

3.1 管道布置的基本原则

(1)应满足工艺管道及仪表流程图的要求；(2)阀门的设置应考虑方便操作和安全性要求；(3)烟气衬里管道跨越三个分区，设计中须考虑与装置各分区的配合，尤其是大量的仪表用公用工程管道，需总体考虑，以确保管道的无缝对接。(4)烟气衬里管道上不可避免的会有膨胀节穿越平台的情况，要根据膨胀节的安装方位和结构尺寸调整平台开洞，避免膨胀节与结构梁发生碰撞。

3.2 第二再生器至第二再生器三级旋风分离器管道的布置

此段管道的布置与第二再生器和再生三旋的结构形式及相对位置有关。为减少工程投资，再生三旋宜靠近再生器布置。此部分烟气管道宜采用自然补偿，取当量壁厚和当量许用应力，进行应力分析[1]。在本装置中，由于受到投资成本以及装置平面布置空间所限，不能完全采用自然补偿方案来实现热补偿，而是选取自然补偿以及利用波纹膨胀节联合布置的方式。同时，在垂直管道部分选用弹簧支架，以补偿管道热胀。

3.3 第二再生器三级旋风分离器至余热锅炉管道的布置

本装置的烟气管道自三旋出口接出，敷设距离长、管道口径大，采用自然补偿手段不但需要很大的补偿空间，也很不经济。另外，过长的管段会增大管道压降。为保证设备管嘴承受的作用力和力矩在许用应力范围之内，此部分管段采用多个波纹膨胀节组合的方式进行管道热补偿。

3.4 烟气衬里管道上开口的设置

烟气衬里管道上，须设置采样器、分析仪、压力计、热电偶等工艺与仪表开口。这些小开口的数量多、口径小。为方便操作，应尽量将这些开口集中布置。由于烟气衬里管道的管径很大，为节省空间、方便操作、设计美观，可将这些开口布置在管道同一横截面的不同角度上。

在烟气衬里管道上，还需设置人孔以方便对衬里结构进行施工和检修，尤其是在双动滑阀、余热锅炉入口蝶阀和旁路蝶阀的前后管道上，这是与普通管道的重要区别。人孔的设置原则是能够达到整条衬里管道内部，相邻人孔间距应适宜，周围的构架、管道、设备等应留出人孔启闭的空间。

4 烟气系统相关设备的布置原则

烟气衬里管道的布置与相连接的设备布置相关，本装置烟气系统涉及到的设备包括第二再生器、第二再生器三级旋风分离器、烟气水封罐、以及余热锅炉和烟囱等。在满足设备安全距离要求、且尽量减小对其它管道设备影响的前提下，此部分设备应尽可能靠近布置，以减少工程投资。本装置的平面布置图见图2。

图2 烟气系统布置图

除以上主要设备以外，烟气系统衬里管道上还设置有双动滑阀和降压孔板，作用是保持整个系统的压力稳定。降压孔板应布置在双动滑阀之后，以减少双动滑阀压降，确保双动滑阀调节灵活，事故状态时，还可以防止再生器和余热锅炉超压。因此，此部分管道的布置还应该充分考虑双动滑阀的操作及检修空间，以及降压孔板的直管段要求。

5 烟气衬里管道的选材及衬里结构

合理的选材是保证管道长周期、安全平稳运行的前提条件。本装置再生烟气管道采用钢制外壁内衬隔热耐磨材料的结构形式，由于衬里结构将介质的温度进行了有效的阻挡，钢管的外表面温度通常在180～200℃，再生烟气管道的钢壁设计温度可取为300℃。碳钢Q235B 在压力管道系统中一般最高使用温度为350℃，因此再生烟气管道外壁钢制材料选用Q235B 完全可以满足长周期使用的要求。

管道衬里部分采用龟甲网双层衬里，该结构具有以下优点：(1)隔热层可以有效降低衬里管道外壁钢管的温度，对钢管材质的选择标准可相应放宽，节省工程投资；(2)有效降低管道壁温，利于管道热补偿；(3)耐磨性能优异，整体性好、不易脱落等[2]等优点。

根据耐磨层厚度的不同，此种衬里结构又可分为普通耐磨衬里和高耐磨衬里。后者主要用于双动滑阀后至临界流速喷嘴之前。加厚耐磨层是由于此部分管道操作条件十分苛刻，属高温、高冲刷部位，在运行过程中经常发生衬里损坏、磨穿和设备超温等状况。无论从安全角度还是经济角度来讲，都需要将耐磨层加厚，减少介质对管道及设备的冲刷磨损。

6 烟气衬里管道支吊架的设计

管道支吊架的设计与管道应力分析密切相关。为满足管系的应力要求，应合理设置支吊架。本装置中为了满足烟气衬里管线的柔性要求，除了普通的刚性支撑以外，根据管道应力计算结果，还设置了部分导向和限位支架。

另外，为了满足管道在不同工况下均能平稳可靠运行，在管道位移量较大处还设置了部分弹簧支吊架。对于水平布置的管道，采用鞍式支座与弹簧箱的组合形式；对于垂直管道上设置弹簧支吊架的情况，采用耳式支座与弹簧支吊架组合的形式。在这种组合条件下，须注意以下几点：(1)弹簧的工作荷载应等于管道与耳式支座的垂直荷载之和，避免耳式支座的重量带来的荷载偏差。(2)弹簧的工作荷载与使用的组合支架的数量有关，当使用N 组组合支架时，每组组合支架中弹簧的工作荷载为总工作荷载的1/N。(3)热位移不足5mm 时，需向上圆整至5mm；当热位移大于5mm 的时候，按实际热位移进行选型。

7 结语

烟气衬里管道的设计，首先要保证装置安全平稳运行，兼顾操作检修方便。只有对管道走向以及支吊架等进行合理设计，并根据具体装置的操作参数合理选择管道材料以及衬里方案，使其能够既满足管道柔性以及相关设备管嘴受力的要求，又节省工程投资，才是管道的最优化设计。

任何装置的烟气衬里管道，除具有一般衬里管道的共同特征外，尚具有本身特有的一些特性。因此，在符合标准和规范要求的前提下，还需要结合装置的实际情况，灵活调整和变换不同的设计方案，以寻求管道设计的最优化方案。