李智傢(中國天辰工程有限公司管道工程部,天津 300400)

CO變換裝置管道設(shè)計相關(guān)問題淺析

李智傢(中國天辰工程有限公司管道工程部,天津 300400)

本文主要從變換氣管道柔性設(shè)計、高溫管道支吊架設(shè)計、大口徑氣體管線荷載條件計算三個方面進(jìn)行分析和探討

CO變換裝置管道;柔性管道;支架管道;荷載

近年來，隨著煤化工產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，CO變換裝置的規(guī)模也逐步擴(kuò)大。CO變換裝置中的水煤氣和變換氣管道幾乎都為大口徑、高溫、高壓的管道。以變換爐出口管道為例，目前煤化工項目變換裝置中變換爐出口的設(shè)計溫度高達(dá)480℃，設(shè)計壓力達(dá)到4.6MPaG，管道內(nèi)介質(zhì)為變換氣，其主要成分為CO和H2，屬于有毒、有害，易燃易爆氣體。因此，這些管道的運(yùn)行狀況，將直接影響著裝置的安全運(yùn)行。另外，由于變換氣管道長期在臨氫、含硫、高溫高壓介質(zhì)下運(yùn)行，存在氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕等損傷機(jī)理[1]，管道材質(zhì)通常為鉻鉬鋼或不銹鋼，管道布置的經(jīng)濟(jì)性對裝置的投資費用影響較大，CO變換裝置在進(jìn)行管道布置時，必須慎重考慮。本文將從變換氣管道柔性設(shè)計、高溫管道支吊架設(shè)計、大口徑氣體管線荷載條件計算三個方面進(jìn)行分析和探討。

1 變換氣管道柔性設(shè)計

CO變換裝置中的臨界管線很多，管道應(yīng)力計算的工作量很大，管道應(yīng)力計算完成時間對設(shè)計進(jìn)度有很重要的影響，在配管設(shè)計時，設(shè)計人員必須對臨界管線的配管有足夠的重視，進(jìn)行深入仔細(xì)的研究。

合理的利用彈簧支架，可以在不改變管線走向的前提下增加管道的補(bǔ)償能力。

為了增加管道柔性，在設(shè)備布置時就必須要對變換氣管線的走向進(jìn)行初步規(guī)劃，在配管設(shè)計時要避免這些管道在平面上直線連接，而要通過走U形或π形的自然補(bǔ)償來增加管道的柔性，同時在必要位置處設(shè)置彈簧支架，使管道應(yīng)力在合理的范圍內(nèi)。

天辰公司管機(jī)專業(yè)的PM-SP-009《靜設(shè)備管口允許荷載規(guī)定》中規(guī)定的管口許用荷載，對于變換裝置中的水煤氣管道和變換氣管口又偏小。對此問題，筆者個人在項目實踐中認(rèn)為比較可行的做法是設(shè)備專業(yè)在確定設(shè)備壁厚時，增加30%~50%的設(shè)計裕量，并且盡量在設(shè)備管口處增加補(bǔ)強(qiáng)，以提高設(shè)備管口的許用荷載，這樣雖然會增加少量設(shè)備投資，但對于CO變換裝置的設(shè)計進(jìn)度和投資費用都是有利的。

2 高溫管道支吊架設(shè)計

2.1 管架材質(zhì)

變換裝置中的變換氣管道、過熱蒸汽管道溫度較高，點荷載較大，在設(shè)計管架時會出現(xiàn)超出HG/T21629-1999《管架標(biāo)準(zhǔn)圖》中碳鋼管架的使用范圍的情況，影響管線的設(shè)計安全。因此，在溫度高、荷載大的荷載點處選用管架時需特別注意：與管道直接接觸部分均應(yīng)選擇與管道同材質(zhì)，避免由于溫度過高導(dǎo)致管架強(qiáng)度不夠，保證管架的設(shè)計安全。

2.2 管道支吊架的偏裝

由于管道溫度高，導(dǎo)致在某一方向上敷設(shè)長度較長時，管道位移會很大。以某項目CO變換裝置中的過熱蒸汽管道為例，管道操作溫度260度，延管廊敷設(shè)了40米，管道材質(zhì)為15CrMo，膨脹系數(shù)為12*10-6/℃，則最遠(yuǎn)端的位移量為144mm，如果按常規(guī)情況設(shè)計管道支架就會有管架脫落的危險，影響管道的設(shè)計安全。因此在設(shè)計此類熱位移較大處的管道支架時，應(yīng)選用加長管托，并且在設(shè)計文件中注明管架的安裝位置應(yīng)從支撐面中心向位移反方向偏移，偏移量應(yīng)為位移值的1/2。

對于管道吊架，管道熱位移大雖然不會導(dǎo)致管架脫落，但如果吊桿與垂線間角度過大也會影響支架的受力。在管道設(shè)計中，對于吊桿型管架的偏裝也是容易被設(shè)計人員忽視。對于熱位移較大處的吊桿型管架安裝要滿足：在冷態(tài)時，吊桿應(yīng)有預(yù)傾斜量，吊桿傾斜角度應(yīng)使管夾與管架生根點的水平距離為該處熱位移量的1/2，按管架設(shè)計規(guī)定，剛性裝吊桿與垂線間夾角不超過3?，可變彈簧支吊架和恒力支吊架吊桿與垂線間夾角不超過4?；在熱態(tài)時，吊桿應(yīng)垂直，無傾斜。

3 大口徑氣體管線荷載條件計算

管道的荷載可以分為安裝荷載、試驗荷載以及操作荷載。一般而言，對于小口徑氣體管線或者液體管線，管道專業(yè)提荷載條件時，只需選擇安裝荷載和操作荷載中的較大值即可。而CO變換工段的水煤氣及變換氣管線由于壓力高，只能選擇水壓試驗，此時管道的壓力試驗荷載就成為必須要慎重考慮的問題，以滿足設(shè)計文件安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。根據(jù)GB 51006-2014《石油化工建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中8.1.1規(guī)定：石油化工建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)正常操作、停產(chǎn)檢修和充水試壓三種工況中可能存在的荷載，按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合，并應(yīng)取各自的最不利組合進(jìn)行設(shè)計[4]。以某項目CO變換裝置水煤氣管線為例，管道的帶節(jié)點號應(yīng)力計算模型及操作荷載、安裝荷載、充水試壓荷載對比如下：

表1 各節(jié)點三種荷載對比

從以上對比可以看出，對于大口徑氣體管線，充水壓力試驗荷載是非常大的，在計算管道荷載并向結(jié)構(gòu)專業(yè)提出荷載條件時必須加以考慮，避免結(jié)構(gòu)框架因為瞬間巨大的壓力被壓壞。對于總承包項目，隨著精細(xì)化設(shè)計理念的推廣，在條件允許的前提下，可以考慮與施工管理專業(yè)提前溝通，對于CO變換裝置框架上的管道按照不同的充水試壓管系組合，提出不同的安裝荷載+試驗荷載的組合，供結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在滿足設(shè)計安全性的前提下兼顧設(shè)計經(jīng)濟(jì)性，提高工程設(shè)計質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]熊同國，劉勝華,煤化工變換裝置的設(shè)備及管道選材之探討,化肥設(shè)計,2012,2:50(1).

[2]HG/T20645-1998《化工裝置管道機(jī)械設(shè)計規(guī)定》.

[3]PM-SP-009《靜設(shè)備管口允許荷載規(guī)定》.