淺談硫磺回收裝置夾套管道的設(shè)計(jì)

楊振楠

山東三維化學(xué)集團(tuán)股份有限公司

硫磺回收裝置作為石油煉化企業(yè)和煤化工企業(yè)的環(huán)保裝置，對全廠以H2S為主的酸性氣進(jìn)行處理，來自上游裝置的酸氣經(jīng)硫磺回收裝置處理生成液硫。液硫凝固點(diǎn)約120 ℃，在130～160 ℃時(shí)黏度較小，流動性最好。為保證硫磺回收裝置內(nèi)液硫輸送的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，液硫管道通常采用蒸汽夾套伴熱設(shè)計(jì)，套管內(nèi)蒸汽維持內(nèi)管溫度約130 ℃輸送液硫。在對裝置設(shè)備進(jìn)行平面布置時(shí)，將制硫單元設(shè)備進(jìn)行緊湊的布置，以縮短液硫管道長度，降低熱損失，保證伴熱效果。為防止硫磺蒸氣凝結(jié)堵塞管道和閥門，硫磺回收裝置內(nèi)的過程氣管道及與液硫介質(zhì)管道連通的各種介質(zhì)管道也會采取局部夾套伴熱設(shè)計(jì)。

1 夾套管道材質(zhì)和管件選用

1.1 管道材質(zhì)選用

根據(jù)SH/T 3040-2012《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，凝固點(diǎn)為120 ℃的液硫管道內(nèi)管與套管的連接型式應(yīng)選用內(nèi)管焊縫隱蔽型(全夾套)[1]。夾套管的內(nèi)管通常采用無縫碳鋼管道，套管采用無縫碳鋼管或焊接碳鋼管。但在液硫池內(nèi)的氣相空間存在濕H2S應(yīng)力腐蝕的情況，夾套管的內(nèi)管和套管均采用無縫不銹鋼管，材質(zhì)選用022Cr17Ni12Mo2。

1.2 夾套管的組合尺寸

夾套管的組合尺寸宜按SH/T 3426-2014《石油化工鋼制夾套管法蘭》執(zhí)行，對于內(nèi)管公稱直徑DN≥400 mm的管道，可按照表1執(zhí)行。

表1 夾套內(nèi)管公稱直徑DN≥400 mm夾套套管組合尺寸內(nèi)管公稱直徑DN/mm套管公稱直徑/mm400500450500①450550②5006006007007008008009009001 0001 0001 1001 1001 2001 2001 300 注:① 此規(guī)格組合不宜用于帶90°彎頭的夾套管[2]。② 此規(guī)格尺寸為不推薦尺寸[2]。

1.3 夾套法蘭

為便于液硫管道堵塞時(shí)拆卸維修，全夾套型式的夾套管每節(jié)長度一般為6 m，中間采用夾套法蘭連接，每節(jié)套管之間設(shè)置蒸汽跨接管。夾套法蘭可采用平焊法蘭、對焊法蘭、襯墊法蘭等類型[2]。在一般的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，內(nèi)管公稱直徑DN≤350 mm的夾套管道采用平焊法蘭，內(nèi)管公稱直徑DN≥400 mm的夾套管道采用對焊法蘭，襯墊法蘭在工程實(shí)踐中不常采用。

1.4 夾套閥門

硫磺回收裝置中常用的夾套閥門包括全通徑夾套球閥、夾套旋塞閥、夾套止回閥、夾套蝶閥等。水平夾套閥門和管道間的跨接管最好采用蒸汽上進(jìn)下出垂直方向跨接。受限于閥門體積，夾套閥門供貨商一般在閥門兩側(cè)水平設(shè)置伴熱蒸汽進(jìn)出口，采用蒸汽水平進(jìn)出的方式為閥門伴熱，夾套底部會積聚凝結(jié)水。夾套閥門訂貨時(shí)必須要求供貨商在夾套底部設(shè)置排凝口并加絲堵或法蘭蓋封閉，投用后可及時(shí)排出凝結(jié)水,維持伴熱效果。夾套球閥和夾套止回閥的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1～圖2。

1.5 夾套管管件

液硫夾套管道轉(zhuǎn)向處通常采用四通，以便在管道發(fā)生堵塞時(shí)方便拆卸維修，但在立管底部采用四通會出現(xiàn)低點(diǎn)，該位置采用三通代替四通。夾套內(nèi)管選用無縫管件，套管采用剖切四通或剖切三通。

硫磺回收裝置中的過程氣管道管徑較大，不易堵塞，轉(zhuǎn)向處仍采用彎頭，內(nèi)管和套管曲率半徑的選取執(zhí)行SH/T 3040-2012《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。對于內(nèi)管公稱直徑DN≥400 mm的內(nèi)管和套管的公稱直徑組合可按表1執(zhí)行，內(nèi)管、套管曲率半徑一般都按1倍公稱直徑選取。表1中公稱直徑DN450 mm的內(nèi)管有兩種套管組合方式，實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用如圖3所示，夾套蝶閥及其配對夾套法蘭均選取DN450 mm×DN500 mm的規(guī)格，彎管處選擇DN450 mm×DN550 mm的公稱直徑彎頭組合，套管利用DN500 mm×DN550 mm同心大小頭實(shí)現(xiàn)變徑。

2 夾套管道的設(shè)計(jì)

硫磺回收裝置的夾套管道設(shè)計(jì)通常遵循SH/T 3040-2012《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在此規(guī)范的基礎(chǔ)上制訂更加詳細(xì)深入的設(shè)計(jì)規(guī)定，也可參考現(xiàn)有的硫磺回收裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)夾套管道良好的伴熱效果。

2.1 夾套管伴熱蒸汽的引入

硫磺回收裝置中的伴熱一般采用集中給汽、疏水模式，即在裝置中蒸汽伴熱、疏水需求集中的區(qū)域設(shè)置蒸汽分配站和疏水站。該方式便于操作人員對蒸汽伴熱進(jìn)行集中管理，不易遺漏，節(jié)省伴熱系統(tǒng)占地面積。但對于蒸汽伴熱、疏水需求較低的區(qū)域，設(shè)置蒸汽分配站和疏水站不經(jīng)濟(jì)，可在進(jìn)入此類區(qū)域的工藝蒸汽管道和凝結(jié)水管道引出分支對夾套管道進(jìn)行伴熱和疏水，工藝蒸汽管道的管徑應(yīng)進(jìn)行核算，以同時(shí)滿足工藝和伴熱需求。但切忌將伴熱蒸汽引出位置設(shè)在自控閥之后或用汽要求嚴(yán)格的蒸汽管道(如消防蒸汽管道)上，避免夾套伴熱與工藝操作互相制約，甚至影響裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

伴熱蒸汽引入和凝結(jié)水排出如圖4所示，伴熱蒸汽管道自套管上部引入，凝結(jié)水管道由套管下部排出，每節(jié)套管的長度不宜超過6 m。伴熱蒸汽管道和凝結(jié)水管道分別接入蒸汽分配站和疏水站，模型設(shè)計(jì)中僅標(biāo)注接頭位置。

水平夾套管的跨接管一般采用蒸汽上進(jìn)下出垂直方向跨接[1]。套管之間的跨接管形式如圖5所示，自上一節(jié)套管管底流出，進(jìn)入下一節(jié)套管管頂?？缃庸茉O(shè)置法蘭，便于夾套管拆除及停工排凝結(jié)水。

2.2 夾套管伴熱系統(tǒng)

在硫磺回收裝置中，夾套管的伴熱管、跨接管和疏水管管徑通常采用DN20 mm，其目的在于防止熱煨彎時(shí)引起流通面積不足，同時(shí)，也可保持裝置內(nèi)蒸汽分配站和疏水站管徑一致，便于管理維護(hù)。

對于一條伴熱回路，應(yīng)盡量采用1個(gè)給汽點(diǎn)對應(yīng)1個(gè)回水點(diǎn)的伴熱方式。也可采用兩個(gè)或多個(gè)給汽點(diǎn)對應(yīng)1個(gè)回水點(diǎn)的伴熱方式，但應(yīng)盡量保證各給汽點(diǎn)壓力一致，伴熱回路壓降相近，通過有效的疏水，可以保證良好的伴熱效果。

在確定套管伴熱長度時(shí)，通常可按照SH/T 3040-2012《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，但應(yīng)考慮伴熱管自蒸汽分配站至套管引入口和套管疏水口至疏水站的距離。以DN20 mm的伴熱蒸汽管為例，規(guī)范中規(guī)定其供汽的套管伴熱長度約45～55 m[1]，按實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取值，套管的伴熱長度以24～30 m為宜[3]。當(dāng)套管公稱直徑增大，伴熱長度應(yīng)適當(dāng)縮短。

2.3 夾套管道附件伴熱

對于夾套管道上的閥門、過濾器等管道附件，一般隨管道串聯(lián)伴熱。以DN20 mm的供汽管為例，參考大量硫磺回收裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，DN250 mm及以下的夾套閥門和管道附件可串聯(lián)4個(gè)(包含前后1 m左右的套管)，DN300 mm～DN500 mm的夾套閥門和管道附件可串聯(lián)3個(gè)，DN500 mm以上的夾套閥門和管道附件串聯(lián)2個(gè)。以上數(shù)據(jù)為夾套伴熱實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)注意具體問題具體分析，根據(jù)工藝需求和夾套閥門、管道附件供應(yīng)商的要求合理設(shè)置伴熱，在實(shí)現(xiàn)良好伴熱效果的同時(shí)，節(jié)省伴熱材料。

如圖6所示，夾套管道上夾套控制閥、夾套止回閥和夾套球閥通過1個(gè)蒸汽伴熱回路串聯(lián)伴熱，伴熱蒸汽自夾套控制閥上游夾套管引入，對各閥門伴熱后疏水至附近疏水站。根據(jù)閥門訂貨資料建模，伴熱蒸汽的進(jìn)出管水平接在夾套閥門兩側(cè)。

2.4 液硫泵夾套伴熱設(shè)計(jì)

在硫磺回收裝置中，冷凝冷卻器凝結(jié)的液體硫磺進(jìn)入液硫池中，由液硫脫氣泵在液硫池中循環(huán)噴灑脫除H2S，脫氣后的液體硫磺由液硫提升泵送至成型造?；蜃鳛橐毫虍a(chǎn)品出裝置。國內(nèi)絕大部分硫磺回收裝置的液硫泵均使用符合ANSI/API STD 610-2010《石油、石化及天然氣工業(yè)用離心泵》的長軸液下泵[4]，設(shè)置蒸汽夾套伴熱。此外，還有部分裝置由于長軸液下泵使用填料密封導(dǎo)致泵易泄漏、維修復(fù)雜等原因，選用雙螺桿泵代替長軸液下泵。但因?yàn)橐毫蛑写嬖跇O小的硬質(zhì)顆粒雜質(zhì)，對螺桿的磨損較為嚴(yán)重，雙螺桿泵極易損壞[5]。

為保證硫磺回收裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，液硫泵通常按一開一備設(shè)置，裝置設(shè)計(jì)需要考慮液硫泵的檢維修操作。泵上方不應(yīng)布置管道和結(jié)構(gòu)梁，以預(yù)留吊車操作空間。每臺液硫泵應(yīng)單獨(dú)設(shè)置伴熱回路，檢維修時(shí)不影響其他管道或設(shè)備運(yùn)行。長軸液下泵底板超出泵管口，液下泵起吊前需要拆除泵出口至閥門的管道，該部分管道可隨泵共用伴熱回路。泵出口閥在對泵進(jìn)行檢修維護(hù)時(shí)關(guān)斷，隨下游夾套管道共用伴熱回路。

以單臺液硫提升泵為例，泵的安裝位置及相關(guān)管道布置如圖7所示。泵起吊前需要拆除泵出口至其出口夾套球閥間管道，包括管道上的就地壓力表和一次閥門，以及泵的伴熱管道和疏水管道。圖7中自蒸汽主管引伴熱蒸汽對液硫提升泵伴熱后，蒸汽自泵伴熱蒸汽出口進(jìn)入就地壓力表的一次閥伴熱，之后接入泵出口閥上游夾套管頂部，對泵出口至閥門的管道伴熱，凝結(jié)水自管道泵出口端底部疏水至凝結(jié)水總管。液硫泵檢修時(shí)，可將該伴熱回路關(guān)斷或隨泵拆除，不影響其他管道伴熱。

以上為液硫泵伴熱回路設(shè)計(jì)的示例。對于液硫泵的伴熱，應(yīng)根據(jù)設(shè)備型式、管道布置、設(shè)備布置等情況具體分析，必須保證在液硫泵檢維修時(shí)，停用伴熱不影響其他管道或設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 結(jié)語

由于硫磺回收裝置的產(chǎn)品液硫具有特殊的物理性質(zhì)，輸送管道應(yīng)采用蒸汽全夾套伴熱設(shè)計(jì)，夾套管道的套管和內(nèi)管組合尺寸應(yīng)按國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行選取。夾套管道的套管和內(nèi)管材質(zhì)一般選用碳鋼材質(zhì)，在存在濕H2S應(yīng)力腐蝕的情況下，應(yīng)采用不銹鋼材質(zhì)。夾套管道的設(shè)計(jì)除應(yīng)遵循有關(guān)規(guī)范要求外，還應(yīng)制訂更加詳細(xì)深入的設(shè)計(jì)規(guī)定，以實(shí)現(xiàn)夾套管道良好的伴熱效果。作為裝置核心設(shè)備的液硫泵，在運(yùn)行過程中常有檢維修需求，其相關(guān)液硫管道和伴熱回路的設(shè)計(jì)必須保證在液硫泵檢維修期間，切除伴熱不影響其他管道或設(shè)備的正常運(yùn)行。