催化裂化裝置煙機入口管道的配管設計

任曉雯

（中國石化集團洛陽石化工程公司配管室，河南 洛陽 471003）

1 概述

催化裂化裝置主風機能量回收機組是催化裂化裝置的重要組成部分。隨著裝置的大型化及催化裂化原料的重質化，再生器的溫度和壓力越來越高，主風機耗功也相應增大，為了充分利用再生煙氣的壓力能和熱焓，對于大中型重油催化裂化裝置都采用煙氣能量回收系統來補充耗功并發電，供裝置內使用或并入電網，從而達到降低裝置能耗，節約成本目的。

在催化裂化裝置中，由三級旋風分離器，能量回收機組等組成的系統稱為煙氣能量回收系統，而由煙機、主風機、電動發電機組成的機組則被稱為煙氣能量回收機組。管道設計專業對能量回收系統的設計，主要包括機組及設備的布置和煙氣管道、主風管道、潤滑油管道等的設計，而煙氣管道的設計在能量回收系統設計中，起著十分重要的作用。煙氣管道的設計是否合理，直接影響著煙氣輪機的正常運行和使用壽命，本文主要討論煙氣管道的配管設計。

2 煙氣管道的設計特點、布置原則及組成

煙氣管道的管道直徑大，一般為DN800-DN3000；介質（煙氣含少量催化劑顆粒）溫度高，一般為670℃～750℃；且與之相接的煙機嘴子受力要求又十分嚴格。此類管道設計條件苛刻，技術含量高，需要考慮的因素多，從而使煙氣管道的設計具有一定的難度。因此煙氣管道的布置原則為，在保證安全運行的前提下，減少煙氣在管道中的溫降和壓降，以提高能量的回收率，同時盡可能地節省投資。煙氣管道主要包括連接再生器、三級旋風分離器、煙機、水封罐和余熱鍋爐的管道。其中主要設備的布置如圖1所示。

圖1 煙氣管道及設備布置示意圖

考慮到煙機操作溫度高，轉速高，嘴子受力條件要求苛刻，設計難度大，以下僅對煙機的進口管道（三級旋風分離器至煙機管道）設計的具體方法進行一些探討。

3 三級旋風分離器至煙機入口的管道設計

煙機入口管道的管內介質為高溫煙氣（其中含 CO、CO2、SO3、H2S等腐蝕介質），其溫度高達670℃～750℃，壓力為0.3Mpa，管徑通常為DN800-DN1600。由于其所處的特殊位置，該管道的設計優劣，直接影響裝置的能耗及裝置的長、滿、優、穩生產，其設計應考慮以下幾點：

（1）管道材料必須滿足耐高溫及防腐蝕的要求；

（2）管系應有足夠的柔性，使煙機入口嘴子受力滿足要求；

（3）盡量減少材料的數量，節省投資。為了滿足以上要求，設計中需采取相應的措施。

3.1 管道材質的選擇

為了防止襯里脫落，帶進煙機而損壞其動、靜葉片，該管道采用熱壁管道設計，且對管材的選擇具有較高的要求，通常采用耐熱不銹鋼。下表為常用的三種不銹鋼的高溫性能數據。節，垂直管道上設兩個單式萬向型膨脹節，水平管道上設一個單式鉸鏈型膨脹節，對于垂直和水平管道較長，熱脹量大的Z型管系，建議采用第一種補償方式；對于熱脹量較小的管系，采用第二種補償方式較為合適。利用波形補償器的角變形來吸收管道各個方向的熱脹量，由于補償器的剛度系數很小因此變形后彈性反力也很小。為減少膨脹節的波數和降低熱態管道對煙機的推力，在水平和垂直管段上各留一個預拉口進行冷緊，一般為50～100%預拉。

表1 三種常用不銹鋼的高溫性能

3.2 管道柔性設計

在以往的設計中，管材一般使用1Cr18Ni9Ti，該材質具有較好的抗氧化性及防腐蝕性，材料中由于Ti的存在，具有抗晶間腐蝕的能力（主要指在停工時的露點腐蝕工況下），但Ti又是易被氧化的元素，它的存在將導致材料在高溫下機械性能下降，當溫度達700℃時，該材質的許用應力僅為13MPa，為此，在滿足同樣溫度要求的情況下，管道壁厚較厚。

0 Cr19Ni9具有較好的機械性能和抗高溫氧化、抗腐蝕的性能。當溫度達700℃時，該材質的許用應力為27MPa，但焊縫處抗晶間腐蝕的能力較差，在停工狀態，易產生露點腐蝕和應力腐蝕開裂。

隨著催化裂化裝置摻煉重油、減渣比例的提高，原料中硫含量的增加，耐硫腐蝕應引起足夠的重視。此外，氯離子腐蝕、露點腐蝕等，都嚴重影響著煙氣管道的使用壽命。為了解決這些問題，設計選用了316H作為該管道的材質。這種材料具有較好的冷熱加工性能，焊接性能和抗腐蝕性能，且熱敏性低，當溫度為700℃時，許用應力為30MPa。

為使煙氣管道具有一定柔性，在進行平面布置和管道規劃時，應盡量使管系的走向與所有熱位移方向位于同一平面，即形成平面管系，但受環境限制，也可設計成立體管系，并將其分解成兩個平面管系進行補償，各設一組三鉸鏈（也可以用一組復式萬向型膨脹節進行補償）。在平面L型管系中，采用一組三個單式鉸鏈型膨脹節，對三維立體Z型布置采用兩種方式來吸收熱脹：(一)用固定支架在垂直管道上合適的位置將Z型管系分解成兩個二維平面"L"型，并在每個"L"型管系中各設一組三個單式鉸鏈型膨脹節；（二）在三維立體Z型管道上設一組單式萬向型膨脹

4 設計實例

下面以某煉油廠催化裂化裝置的煙機入口管道為例進行詳細說明。

如圖2所示，該管垂管段較長28575mm，水平管段較短23720mm，且為立體管系，為了減少三旋嘴子的受力，在垂直管道中部設置固定承重支架，將該煙機入口管道分解為兩個平面管系，各設一組三個單式鉸鏈型膨脹節（膨脹節1-6），分別進行補償。

圖2 煙機入口管道設計圖

為保證煙氣均勻地進入煙機，不產生偏流而影響煙機的動平衡，高溫蝶閥至煙機入口法蘭間的距離≥6DN。

在煙機入口前，應留有短節，以便于煙機的檢修，并在煙機入口的附近設一組復式萬向膨脹節7，以調節補償由于煙機基礎下沉或管道施工誤差而造成的煙機入口法蘭與管道法蘭的對中偏差，減少煙機入口法蘭受力，并在短節處設有恒力彈簧吊架（彈簧吊架6），以減少煙機嘴子的受力。

煙機入口的支架設置也非常重要，由于煙機的機殼為中心支撐，為保證其轉子在熱態時的水平度，煙機進口管道上的支架也采用中心支撐。故采用了中心支撐的擺式支架和滾動支架的支撐方式，熱脹位移過程中可保持管道中心位置不變，且摩擦力最小。如2中擺式支架1和擺式支架2，用以支撐高溫蝶閥及管道，同時在兩個高溫閘閥之間設置兩組彈簧吊架（彈簧吊架4，彈簧吊架5）以減少擺式支架的滾動摩擦力，從而減少煙機入口推力。由于煙氣入口管道采用三鉸鏈補償，膨脹節的制造間隙等原因，導致整個管系的側向不穩定性，在風載荷或其他外力的作用下，管系易產生擺動，從而，對煙機入口產生額外的力。為此在靠近彎頭處加合適的導向支架（導向支架1導向支架2），并留有足夠的管道徑向熱膨脹間隙。

為了開機前引入少量的煙氣預熱煙機，在高溫閘閥和高溫蝶閥處設旁通線，以方便操作。為減少該管道對煙機入口的影響，該管道應具有良好的柔性，隨煙機入口大管道一起移動，為此設置了三個彈簧吊架（彈簧吊架1、彈簧吊架2、彈簧吊架3）來承受該管的荷重。

當煙機檢修停運時，高溫蝶閥前煙氣管道中存積冷能水，氯離子和亞硫酸根離子積聚，腐蝕不銹鋼管道和膨脹節，所以在高溫閘閥前設置排凝線。

為了防止在暖機過程中出現熱拱現象和凝液被高速煙氣流攜帶入煙機，高溫兩高溫蝶閥之間繞度最大處，增設低點排凝。

5 煙機入口管道安裝注意事項

（1）水平管段應從煙機入口開始依次向外施工，固定口應選定在遠離煙機管口的位置，先安裝管道支架，保證管道與煙機連接法蘭的良好對中，管道的重量和附加力矩不得作用在煙機上，最后一道焊口遠離煙機。

（2）管道組焊之前，對管道和管件內設置臨時支撐，以保證其橢圓度要求。

（3）應嚴格按設計要求留出預拉口，并加臨時連接件固定，管道嚴禁強行組對，待整個管道連接找正后再安裝導向支架（導向支架1），并保證導向方向及導向支架預留間隙符合設計要求。

（4）拆除膨脹節的裝運螺栓及擺式支架定位銷后，再進行管道的預拉組焊，并注意按照設計要求調整擺式支架角度及導向板間隙。

（5）管道施工完畢后，拆除彈簧定位銷，并松開煙機入口法蘭，檢查管道對中情況。

（6）對預拉后安裝的支架，管道先做臨時支撐，但不得影響預拉對接。

（7）拉伸過程中應不斷測量拉伸口的距離，確保管道拉伸均勻，管道預拉要對稱用力。

（8）管道施工前，一定要認真核對膨脹節鉸鏈板的安裝方位，導向支架和彈簧支吊架的安裝方位，一旦方位裝錯，會導致膨脹節，彈簧或導向支架失效。

結語

本文討論了大型催化裂化裝置中煙機入口管道的配管設計方法，支架設置，施工過程中的注意事項。分析了高溫條件下管道強度降低、熱變形增大以及腐蝕介質條件下，管道材料的選取、管系柔性設計、管道支吊架和膨脹節的布置等問題。同時，本文還提出了煙氣管道安裝時應注意的問題，對以后進一步優化大型煉化裝置的配管設計有著一定的意義。

[1]陳俊武.催化裂化工藝與工程（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2005.

[2]中國石化集團洛陽石油化工工程公司.石油化工設備設計便查手冊（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2007.