翁興卓

摘要：裂解爐是乙烯裝置中重要的單元設(shè)備，該單元高溫高壓管線比較集中。文章根據(jù)乙烯裂解爐的工藝特點(diǎn)，論述了裂解爐區(qū)管道設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮的因素，并說(shuō)明了此類管道布置設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和方案，對(duì)管道的柔性分析、管架的設(shè)置原則、管架型式等方面進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：乙烯裂解爐；配管設(shè)計(jì)；高溫高壓管道；乙烯裝置；管道布置 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ052 文章編號(hào)：1009-2374（2015）28-0028-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.014

裂解爐是乙烯裝置中重要的單元設(shè)備，該單元高溫高壓管線比較集中。而這部分管線大多是裂解爐區(qū)比較關(guān)鍵的管線，此部分管系配管設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到裝置的正常生產(chǎn)和運(yùn)行，是裂解爐區(qū)管道布置設(shè)計(jì)的

關(guān)鍵。

筆者根據(jù)多年裂解爐配管的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)裂解爐配管設(shè)計(jì)做一個(gè)分析說(shuō)明。

1 裂解爐各管系的工藝特點(diǎn)

裂解爐按工藝系統(tǒng)可分為物料系統(tǒng)和水汽系統(tǒng)兩部分，其中物料系統(tǒng)包括原料/稀釋蒸汽進(jìn)料、對(duì)流段預(yù)熱、輻射段的高溫裂解、裂解氣的急冷幾個(gè)主要部分；水汽系統(tǒng)包括鍋爐給水進(jìn)料、汽包、急冷換熱器、高壓蒸汽過(guò)熱等幾部分。其中高溫（橫）跨管、裂解氣管線、燒焦氣管線以及超高壓蒸汽管線、上升下降管等由于操作溫度或操作壓力較高，是裂解爐管道設(shè)計(jì)中需要特別注意的管系。

裂解爐的高溫跨管也就是通常所說(shuō)的橫跨管，是連接對(duì)流段及輻射段之間的管線，操作溫度較高。其操作溫度隨裂解原料和操作工況而變化，約為600℃～650℃（燒焦工況可達(dá)680℃以上）。裂解氣管道是指裂解爐急冷鍋爐出口至汽油分餾塔間的管系，急冷器之前溫度約為400℃～550℃，急冷器之后為210℃～240℃，壓力約為0.08MPa，通常管徑比較大；燒焦氣管線僅在線燒焦工況下使用，管線的溫度約為350℃～450℃。超高壓蒸汽由裂解爐的急冷系統(tǒng)產(chǎn)生，其操作溫度約為510℃～530℃，壓力約為11MPa。下降管是汽包入急冷換熱器的鍋爐給水管道，上升管為急冷換熱器返回汽包的飽和蒸汽/水兩相介質(zhì)管道，操作溫度約為350℃，操作壓力約為12MPa。

2 裂解爐高溫跨管的布置設(shè)計(jì)

高溫跨管是連接對(duì)流段與輻射段之間的管線，高溫跨管主要由主管、集合管和分支管幾部分組成。對(duì)流段內(nèi)的經(jīng)預(yù)熱后的烴和蒸汽的混合物經(jīng)高溫跨管進(jìn)入集合管，并通過(guò)流量文丘里管控制進(jìn)入每一路分支管的流量，分支管的另一端與輻射盤(pán)管入口相連接。高溫跨管是裂解爐溫度最高的管線，這部分的管線應(yīng)力較為集中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成輻射段爐管嚴(yán)重變形，并使輻射爐管局部過(guò)熱，超出材料的使用溫度發(fā)生“蠕變”，減少爐管的使用壽命，降低裂解爐的運(yùn)行周期，對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響。因此，此系統(tǒng)的配管布置及柔性設(shè)計(jì)在裂解爐的配管設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要。高溫跨管在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下因素：

2.1 管道的布置應(yīng)滿足工藝的要求

由于工藝要求介質(zhì)進(jìn)入到每一路輻射爐管的流量基本一致，所以要求每一路主管進(jìn)入到各分支管的流體壓降盡可能保持相同。也就是說(shuō)，跨管的布置要求對(duì)稱布置，保證流體分配均勻，壓降滿足工藝要求，避免各組管道之間壓差過(guò)大。

2.2 跨管的布置應(yīng)有足夠的柔性

由于跨管的操作溫度較高，管道的熱膨脹位移較大，并且對(duì)流段爐管和輻射段爐管也都有較大的位移，故跨管的布置還要使其能夠吸收對(duì)流段和輻射段爐管產(chǎn)生的熱位移，減少對(duì)管口的作用力。如柔性不夠，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也較大，故合理的布置設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。必要時(shí)考慮在對(duì)流段出口的橫跨管的適當(dāng)位置上設(shè)置限位支架。

2.3 應(yīng)力分析及支吊架的設(shè)置

橫跨管的應(yīng)力分析要結(jié)合對(duì)流段管束和輻射爐管一并進(jìn)行，并對(duì)各種操作工況做充分考慮。應(yīng)力計(jì)算時(shí)要考慮不同的輻射爐管型式，其管壁溫度分布差異是很大的，并且同樣的爐管在不同的操作工況（如裂解初期和末期）下其進(jìn)出口溫度也是不同的。以目前應(yīng)用較多的兩程U形爐管為例，在裂解爐運(yùn)行的初期，出口側(cè)的管壁溫度比入口側(cè)管壁溫度高50℃左右，而到了運(yùn)行的末期，兩端的溫差可達(dá)80℃。這使得兩側(cè)爐管的膨脹量不一樣，會(huì)使入口側(cè)的爐管受到向下的拉力，如吊架設(shè)置不合理，會(huì)造成另一側(cè)的爐管彎曲變形，影響爐管的使用壽命。目前輻射爐管的吊掛系統(tǒng)多采用恒力彈簧吊架或平衡配重系統(tǒng)。此外，輻射爐管長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下運(yùn)行（可達(dá)1100℃左右），高溫使得爐管發(fā)生蠕變。由于爐管兩側(cè)壁溫不同，因此兩側(cè)的蠕變量也是不同的，這種蠕變?cè)斐傻膬蓚?cè)爐管膨脹量差在裂解爐運(yùn)行2年后會(huì)表現(xiàn)得較為明顯，因此在選擇彈簧的位移量時(shí)要給予充分考慮。

2.4 其他應(yīng)考慮的因素

由于跨管在操作過(guò)程中熱位移較大，跨管與其他相鄰管道及鋼結(jié)構(gòu)之間應(yīng)有足夠的空間，保證管道在熱位移時(shí)不與其他管道發(fā)生碰撞或限制管道的正常位移?？绻艿膹椈傻跫芤芸朔銐虻乃轿灰?，必要時(shí)吊架安裝時(shí)采用偏置安裝。另外，橫跨管的布置應(yīng)滿足操作和維修的要求，輻射段爐管入口處管線較多，設(shè)備布置比較集中，如橫跨管上的壓力表、文丘里前后的壓差表和輻射爐管出口溫度（COT）等測(cè)量元件，均布置在這一層平面。此外，還要考慮急冷鍋爐定期進(jìn)行的水力清焦空間。這些都要在橫跨管布置設(shè)計(jì)過(guò)程中給予充分考慮。

3 裂解氣管道的布置設(shè)計(jì)

3.1 裂解氣管道走向布置

裂解爐區(qū)設(shè)備布置主要分為爐區(qū)及爐前管廊兩個(gè)部分，裂解爐沿爐前管廊布置在通道一側(cè)，便于裂解爐的檢修操作。每臺(tái)裂解爐的裂解氣管道以45°斜接匯入管廊上裂解氣總管。裂解氣總管根據(jù)裝置的能力及裂解爐數(shù)量，大多分成兩路總管，這樣布置可以避免一根總管管徑過(guò)大和管道端部位移量過(guò)大。此外，由于裂解氣管道內(nèi)介質(zhì)含有急冷油等黏性物質(zhì)及焦粒，為避免急冷油和焦粒沉積在管道上，保證介質(zhì)流動(dòng)穩(wěn)定，裂解氣管道要求沿流向進(jìn)行坡向布置，一般要求有0.005～0.02的坡度。目前較常見(jiàn)的裂解氣管道上的油急冷器布置在急冷鍋爐的出口，每一側(cè)的急冷鍋爐的出口管線合并在一起，再進(jìn)入油急冷器，油急冷器采用立式結(jié)構(gòu)。連接急冷鍋爐出口的裂解氣管線，為吸收急冷鍋爐管口的初位移，設(shè)計(jì)中通過(guò)采用增加管線柔性的方式，使其得到自然補(bǔ)償。管線布置既要躲開(kāi)連接汽包和急冷鍋爐的多根上升及下降管線，同時(shí)還要考慮管線熱位移所需的空間。

3.2 裂解氣閥和清焦閥的布置

裂解氣管線上的裂解氣閥和清焦閥是裂解爐最重要的兩個(gè)閥門(mén)，它們的體積較大，是裂解爐區(qū)最大的閥門(mén)，它們的運(yùn)行情況直接影響裂解爐的開(kāi)車。由于管徑較大并且操作溫度較高，為防止管道的變形造成閥體損壞或法蘭處發(fā)生泄漏，管道需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的應(yīng)力分析計(jì)算。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果設(shè)置合理的支吊架，為保證閥門(mén)在多種工況下所受的力和力矩均在制造廠允許的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)中采用低摩擦剛性及彈簧支吊架，必要時(shí)可在閥體下部設(shè)置支撐，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)造成閥門(mén)或法蘭密封面的損壞。

在裂解及清焦工況的切換中，為了保證安全，防止裂解氣在停爐、燒焦時(shí)由于閥門(mén)的內(nèi)漏產(chǎn)生倒竄，返回爐膛，切換操作時(shí)必須加盲板。同時(shí)由于管徑較大，盲板較重，布置時(shí)要充分考慮拆裝盲板時(shí)的必要空間和吊裝設(shè)備。

3.3 大閥的蒸汽吹掃管線設(shè)計(jì)

由于管道內(nèi)介質(zhì)易結(jié)焦的原因，為防止裂解氣大閥和清焦閥由于結(jié)焦而造成的閥門(mén)開(kāi)關(guān)操作及密封性降低，保證閥門(mén)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。閥門(mén)供應(yīng)商在其設(shè)計(jì)上都帶有多個(gè)蒸汽吹掃口，通過(guò)通入吹掃蒸汽可防止局部溫度過(guò)高，同時(shí)防止黏性焦粒凝結(jié)，保持閥腔內(nèi)清潔。

裂解氣管線溫度高，熱位移大，用于裂解氣大閥吹掃的低壓蒸汽管線與裂解氣大閥蒸汽吹掃口相連，熱位移也很大，配管時(shí)盡量使它柔性好，熱位移靠自然補(bǔ)償吸收，并合理設(shè)置管架，使它們對(duì)裂解氣大閥管口的應(yīng)力影響降到最小程度。

在布置吹掃蒸汽管道時(shí)重點(diǎn)要注意不要影響大閥的檢修操作，給更換盲板留有足夠的空間。避免將吹掃管線布置在閥的四周，將閥包圍起來(lái)。

3.4 裂解氣管線的應(yīng)力分析及管架設(shè)計(jì)

裂解氣管線工藝復(fù)雜、溫度高，存在多種操作工況，同時(shí)燒焦管道與裂解氣管道通過(guò)燒焦大閥直接相連，所以應(yīng)力分析應(yīng)將裂解氣管系及清焦管系一同進(jìn)行整體應(yīng)力計(jì)算。分析時(shí)各種工況均要充分考慮，如操作工況、燒焦工況、熱備工況等，并且同樣工況下還存在運(yùn)行初期和末期的差異，對(duì)雙爐膛還要考慮兩側(cè)不同工況的組合。

由于裂解爐管線管徑大、單位重量大，為減小設(shè)備管口受力和因摩擦產(chǎn)生的反作用力，宜采用低摩擦支架或吊架。水平摩擦力過(guò)大將會(huì)直接影響鋼結(jié)構(gòu)選材，增加鋼結(jié)構(gòu)投資。對(duì)于大管徑裂解氣管線，為防止管托與管子焊接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，多采用鞍座形支架并配合低摩擦滑板，使管壁上應(yīng)力分布均勻，并阻止管線由于旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生力和力矩。

4 超高壓蒸汽管道的配管設(shè)計(jì)

4.1 超高壓蒸汽管道的特點(diǎn)

超高壓蒸汽是乙烯裂解爐的副產(chǎn)物，管道的設(shè)計(jì)溫度約為520℃，設(shè)計(jì)壓力約為11MPa，管道壁厚大。管道材料多選用耐高溫的鉻鉬鋼，與其他耐高溫材料相比，鉻鉬鋼具有熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大、屈服點(diǎn)高的優(yōu)點(diǎn)。

4.2 超高壓蒸汽管道的布置設(shè)計(jì)

由急冷系統(tǒng)產(chǎn)生的飽和高壓蒸汽（溫度約為325℃，壓力約為11MPa）再進(jìn)入裂解爐對(duì)流段的高壓蒸汽過(guò)熱段，過(guò)熱至520℃～525℃后并入超高壓蒸汽管網(wǎng)。超高壓蒸汽管道溫度高壓力大、熱位移量大，故設(shè)計(jì)中要充分考慮管道的熱補(bǔ)償。由于受管道的溫度壓力限制，普通的補(bǔ)償器很難滿足設(shè)計(jì)要求，因此采用自然補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)增加管線柔性，吸收熱位移是設(shè)計(jì)中首要考慮的。此外，由于管道熱位移量大，布置管道時(shí)應(yīng)考慮其與周圍管道設(shè)備留有足夠的間隙，避免操作時(shí)產(chǎn)生的熱位移而發(fā)生碰撞。

4.3 超高壓蒸汽管道的支架設(shè)計(jì)

首先應(yīng)力工程師要配合管道工程師，確定合適的管道支吊架位置及型式。由于管道的溫度高，設(shè)計(jì)中要選擇高溫型隔熱管托，防止管道的高溫通過(guò)普通的鋼性支架傳遞到鋼結(jié)構(gòu)，造成管托附近的鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，產(chǎn)生安全隱患。另外，由于管道壁厚較厚、重量較大，為減少管托直接在鋼結(jié)構(gòu)上摩擦產(chǎn)生的水平力，多采用管托下加滑板的低摩擦型管架。當(dāng)采用吊架時(shí)，應(yīng)注意吊桿兩端應(yīng)為鉸接，吊桿應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度；要考慮管道熱位移引起的吊桿的偏移，一般剛性吊架允許的偏移角度不超過(guò)3°，而對(duì)于彈簧吊架允許的偏移角度不超過(guò)4°，必要時(shí)考慮吊架安裝時(shí)采用偏置安裝，以保證吊桿的偏移角度在允許范圍內(nèi)。

5 其他管道

5.1 上升下降管

上升及下降管是指汽包與急冷鍋爐之間的管線，鍋爐給水通過(guò)汽包經(jīng)下降管進(jìn)入急冷換熱器與出輻射室的高溫裂解氣進(jìn)行熱交換，使裂解氣得到迅速冷卻，同時(shí)使得夾套內(nèi)的鍋爐給水變?yōu)轱柡驼羝?jīng)上升管返回至汽包。管道的設(shè)計(jì)溫度約為325℃，設(shè)計(jì)壓力約為11MPa。由于汽包及急冷鍋爐相連接管口的力及力矩要求較為嚴(yán)格，管道布置上對(duì)柔性的要求特別高。應(yīng)力分析計(jì)算時(shí)應(yīng)把急冷系統(tǒng)作為整體來(lái)考慮，合理設(shè)置汽包的固定端，由于急冷鍋爐出口距離汽包管口垂直距離較小，布管上升管時(shí)要充分利用水平空間，以保證管道的柔性，而下降管的急冷鍋爐入口距汽包出口垂直空間較大，故布管時(shí)要充分利用垂直方向的空間。上升管、下降管的位移較大，通常采用彈簧支吊架進(jìn)行支撐。

5.2 燒焦氣管線

由于裂解爐在裂解和急冷過(guò)程中，內(nèi)部的裂解產(chǎn)物在高溫的作用下發(fā)生二次反應(yīng)，導(dǎo)致裂解過(guò)度，生成焦油，形成結(jié)焦，積附在爐管和急冷鍋爐換熱管的內(nèi)壁上。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)焦量不斷增加，結(jié)成堅(jiān)硬的環(huán)狀焦層，使?fàn)t管內(nèi)徑變小，阻力增大，導(dǎo)致進(jìn)料壓力增加。另外，由于焦層的導(dǎo)熱系數(shù)比爐管低，有焦層的地方局部熱阻大，導(dǎo)致管外壁溫度升高，不但增加了燃料消耗，還影響爐管的壽命，因此當(dāng)爐管結(jié)焦到一定程度時(shí)應(yīng)進(jìn)行清焦。目前通常采用的清焦工藝是蒸汽-空氣清焦法進(jìn)行清焦，清焦后的燒焦氣，經(jīng)清焦閥至清焦罐或返回輻射室，在輻射室焦粒通過(guò)燃燒而減少后續(xù)的處理。

燒焦管道由于是和裂解氣管道連接的，所以在布置設(shè)計(jì)時(shí)要與裂解氣管道統(tǒng)一考慮，應(yīng)力計(jì)算也要作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行。此外由于裂解氣大閥與清焦閥是靠近布置的，管徑較大布置時(shí)要充分考慮閥門(mén)、盲板切換操作的空間。在燒焦工況下管道的操作溫度大約為320℃～420℃，管道在設(shè)計(jì)時(shí)除了要遵循高溫管道的一般原則外，在管道材料的選擇上要注意，由于在清焦過(guò)程中部分被清掉的焦粒隨高溫?zé)箽鈱?duì)管道進(jìn)行沖刷，特別是彎頭處，因此對(duì)這部分的管道、管件采用壁厚加厚來(lái)處理。也有采用三通加管帽來(lái)代替彎頭的，通過(guò)讓焦粒在管帽處堆積以減少對(duì)管壁的磨損。另外，如采用燒焦氣返回裂解爐輻射室的燒焦工藝時(shí)，燒焦氣管道在布置時(shí)還要考慮進(jìn)行對(duì)稱布置，以保證進(jìn)入輻射室的燒焦氣均勻分布。

6 結(jié)語(yǔ)

文中所述的幾組管系是裂解爐裝置區(qū)重要的管系，這幾組管系配管設(shè)計(jì)的好壞直接影響裂解爐的運(yùn)行。在國(guó)內(nèi)外裂解爐裝置運(yùn)行中，常出現(xiàn)問(wèn)題的管道也基本都是這幾組管系，因此在裂解爐的配管設(shè)計(jì)中要格外重視。在滿足工藝要求及操作、檢維修的前提下，合理布置管道的走向，制定出滿足管道應(yīng)力要求的設(shè)計(jì)方案，是裂解爐配管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（責(zé)任編輯：周 瓊）