黎新理中石化洛陽工程有限公司 洛陽471003

甲醇制取低碳烯烴(DMTO)由反應(yīng)技術(shù)和烯烴分離技術(shù)組成［1］。反應(yīng)技術(shù)以催化劑的研制和反應(yīng)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)為核心，以甲醇為原料生產(chǎn)烯烴混合物;烯烴分離技術(shù)則是以反應(yīng)產(chǎn)物為原料，經(jīng)雜質(zhì)脫除、壓縮、分離等過程生產(chǎn)聚合級乙烯和丙烯，其核心是雜質(zhì)脫除和分離流程的開發(fā)及設(shè)計(jì)。DMTO裝置烯烴分離單元采用中冷分離技術(shù)，僅有常規(guī)丙烯制冷，無乙烯制冷系統(tǒng)。烯烴分離單元管道設(shè)計(jì)溫度可低至－115℃，存在大量通常意義上低于或等于－20℃的低溫管道。本文主要從低溫管道的選材、設(shè)計(jì)原則、管道保冷和管道支架設(shè)計(jì)等方面淺談DMTO裝置烯烴分離低溫管道的設(shè)計(jì)。

1 低溫管道選材

對于低溫管道材料的技術(shù)要求一般是:在低溫下具有足夠的強(qiáng)度和充分的韌性，具有良好的工藝性能、加工性能和耐腐蝕性等。其中低溫韌性是最重要的因素。所以各國通常都對低溫鋼限定在最低使用溫度下有一定的沖擊韌性值，以保證低溫鋼材在使用中的安全性。根據(jù)GB 50316和GB 150標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，鋼材在夏比試驗(yàn)溫度下沖擊功的合格指標(biāo)，應(yīng)按鋼材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值確定，見表1。

烯烴分離單元低溫材料的選用應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)溫度下的低溫沖擊韌性、防止管系的脆裂和脆斷。低溫鋼應(yīng)選用鎮(zhèn)靜鋼即完全脫氧鋼。一般地，設(shè)計(jì)溫度為－20～－46℃時，可選用低溫碳鋼A333.GR.6;－46～－115℃時，可選用奧氏體高合金鋼06 Cr19 Ni10。

表1 鋼材在夏比試驗(yàn)下沖擊功的合格指標(biāo)

2 低溫管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

碳鋼管在不低于－20℃時處于延性狀態(tài)，可正常使用。如果使用溫度低于或等于－20℃，碳鋼管就逐漸變?yōu)橐源嘈詾橹鳎褂檬艿揭欢l件的限制。低溫管道設(shè)計(jì)主要考慮兩個問題:① 低溫脆性;②保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和由保冷需求而產(chǎn)生的一系列設(shè)計(jì)要求。其主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:

(1)低溫管道的布置在滿足管道柔性下應(yīng)使管道短，彎頭數(shù)量少，且應(yīng)減少“液袋”。

(2)低溫管道要考慮整個管道有足夠的柔性，應(yīng)充分利用管道的自然補(bǔ)償。當(dāng)無法自然補(bǔ)償?shù)臅r候，應(yīng)設(shè)置補(bǔ)償器。

(3)低溫管道間距應(yīng)根據(jù)保冷后的法蘭、閥門、測量元件的厚度以及管道的側(cè)向位移確定。

(4)低溫管道上的法蘭不宜與彎頭或三通直接焊接。低溫管道上，靠近彎頭或三通處，一般不允許直接焊接法蘭，為了拆卸螺栓時不破壞主管上的保冷層，需再延長一段長度后再焊接法蘭。主管上的儀表管嘴焊接連接時，同樣有此要求。對接法蘭中只需要保證法蘭一端留有拆卸螺栓的間距即可。為了說明一組控制閥順利卸下其中任何一個閥門而不影響管道保冷結(jié)構(gòu)，而需恰當(dāng)布置閥門位置，見圖1。

圖1 調(diào)節(jié)閥組布置示意圖

(5)低溫管道上的閥門宜安裝在水平管道上，閥桿方向宜垂直向上。低溫閥門一般是指設(shè)計(jì)溫度低于－46℃工作的閥門，其特點(diǎn)是主閥體與操作手輪之間裝有氣柱和加長閥蓋結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的作用使閥門從極低溫度到工作點(diǎn)有一個溫度梯度，等于或大于工作點(diǎn)時，氣柱將處于某一能使液化氣體不再是液態(tài)而回復(fù)為氣態(tài)的溫度，并且閥蓋加長的長度應(yīng)能使閥桿填料的材料保持在允許操作的公稱溫度范圍內(nèi)。為了避免液態(tài)氣質(zhì)充滿氣柱，低溫閥門要求安裝在水平管道上，閥桿方向一般要求垂直向上。根據(jù)管網(wǎng)狀況，低溫球閥安裝方向也有正裝、反裝的區(qū)別。

(6)乙烯干燥器等設(shè)備由于存在再生工況，與之相連的管道隔熱既要考慮保冷，又要考慮保溫，因此保溫厚度非常大。管道設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮管道的移動、管道與相鄰的管道、設(shè)備及結(jié)構(gòu)梁之間應(yīng)留有足夠大的間隙，特別是在彎頭拐彎處，應(yīng)充分考慮管道保溫厚度，避免管道熱脹時保冷層被相鄰設(shè)備和結(jié)構(gòu)梁破壞。

低溫管道容易氣化，需要采取溫度安全閥等措施保障管網(wǎng)安全。

3 低溫管道的保冷設(shè)計(jì)

選擇經(jīng)濟(jì)保冷材料有最重要的兩個技術(shù)指標(biāo):①是導(dǎo)熱系數(shù)，因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)與管道的熱損失成正比，當(dāng)有多種保冷材料可以選擇時，材料的導(dǎo)熱系數(shù)與其單位體積價格的乘積越小則越經(jīng)濟(jì);②是密度，通常材料密度越小，其導(dǎo)熱系數(shù)越小。目前國內(nèi)的石化裝置低溫管道通常選用的保冷材料有硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和泡沫玻璃，其主要性能見表2。

表2 兩種保冷材料的性能比較

對比各項(xiàng)指標(biāo)，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度大于或等于－65℃時，保冷層材料可選用硬質(zhì)聚氨酯塑料泡沫;當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于－65℃時，在保證保冷層厚度基礎(chǔ)上，宜采用復(fù)合保冷技術(shù)，即保冷層為泡沫玻璃和聚氨脂復(fù)合材料，內(nèi)保為一層或多層泡沫玻璃瓦塊，外保為聚氨酯瓦塊。

當(dāng)隔熱層厚度≥80 mm時，應(yīng)分層。當(dāng)內(nèi)外層采用同種材料時，內(nèi)外層厚度應(yīng)相同;當(dāng)內(nèi)外層采用不同材料時，內(nèi)外層厚度的比例應(yīng)保證內(nèi)外層界面處溫度絕對值不超過外層材料安全使用溫度的0.9倍(攝氏溫度)。

與奧氏體不銹鋼表面接觸的隔熱材料應(yīng)符合《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB J126要求，且其氯離子濃度不應(yīng)超過25 ppm。

4 低溫管道的支架設(shè)計(jì)

低溫保冷管道的支架，必須有防止產(chǎn)生“冷橋”的措施［2］。低溫管道水平敷設(shè)時，一般在管道底部墊有木塊或硬質(zhì)隔熱材料塊，以免管道中冷量損失;低溫管道垂直敷設(shè)時，支架若生根在低溫設(shè)備上，在設(shè)備和管道上均應(yīng)墊有木塊或硬質(zhì)隔熱材料塊。

低溫管道的支架設(shè)計(jì)應(yīng)與其保冷結(jié)構(gòu)一起整體考慮，支架的設(shè)計(jì)應(yīng)在不破壞其保冷層的基礎(chǔ)上進(jìn)行。低溫管道水平敷設(shè)時，一般采用管箍式結(jié)構(gòu)，將支架管部緊固在保冷結(jié)構(gòu)外，這樣不僅降低了施工難度和工程造價，而且對日后管道的維護(hù)也提供了很大的方便。金屬管夾用螺栓緊固，管夾與保冷層之間加有橡膠墊片，確保當(dāng)管道發(fā)生變形時，管道與保冷層之間沒有相對位移，保冷層不會被管道磨損，延長管道的使用壽命。當(dāng)管道公稱直徑大于250 mm時，需在每個螺栓處設(shè)置加強(qiáng)板。螺栓與管道豎直方向的夾角為50°，這樣可以減少平行敷設(shè)的管道之間的管間距，此角度可根據(jù)管托長度現(xiàn)場調(diào)整。圖2為一種滑動支架結(jié)構(gòu)形式。

圖2 滑動支架結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)塔器設(shè)備直徑較小，如脫甲烷塔，且沿塔敷設(shè)的管道較多時，設(shè)備平臺、梯子及管道支架生根件與設(shè)備之間均需要墊隔冷塊，且設(shè)備要求熱處理，這些生根件均需要預(yù)埋墊板。在設(shè)計(jì)此部分管道支架時，應(yīng)特別考慮這些生根件墊板之間避免重疊，必要時可以與設(shè)備等專業(yè)協(xié)商整體考慮墊板。

5 結(jié)語

DMTO裝置烯烴分離低溫管道在管道設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮其管道材料的低溫脆性，選擇低溫鋼或者奧氏體高合金鋼。為盡量減少冷損失，管道應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)谋夭牧霞氨亟Y(jié)構(gòu)，同時采取合適的支架形式，防止管道破壞，保證管系的安全性與合理性。

1 劉中民，齊 越.甲醇制取低碳烯烴(DMTO)技術(shù)的研究開發(fā)及工業(yè)性試驗(yàn) ［J］.中國科學(xué)院院刊，2006，21(5):406－408.

2 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局.全國壓力管道設(shè)計(jì)審批人員培訓(xùn)教材(第二版)［M］.北京:中國石化出版社，2011.