DMTO烯烴分離單元低溫管道的設計

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)由反應技術和烯烴分離技術組成［1］。反應技術以催化劑的研制和反應系統開發設計為核心，以甲醇為原料生產烯烴混合物;烯烴分離技術則是以反應產物為原料，經雜質脫除、壓縮、分離等過程生產聚合級乙烯和丙烯，其核心是雜質脫除和分離流程的開發及設計。DMTO裝置烯烴分離單元采用中冷分離技術，僅有常規丙烯制冷，無乙烯制冷系統。烯烴分離單元管道設計溫度可低至－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、設計原則、管道保冷和管道支架設計等方面淺談DMTO裝置烯烴分離低溫管道的設計。

1 低溫管道選材

對于低溫管道材料的技術要求一般是:在低溫下具有足夠的強度和充分的韌性，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GB 50316和GB 150標準的規定，鋼材在夏比試驗溫度下沖擊功的合格指標，應按鋼材標準抗拉強度下限值確定，見表1。

烯烴分離單元低溫材料的選用應經濟合理，滿足設計溫度下的低溫沖擊韌性、防止管系的脆裂和脆斷。低溫鋼應選用鎮靜鋼即完全脫氧鋼。一般地，設計溫度為－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 鋼材在夏比試驗下沖擊功的合格指標

2 低溫管道的設計要點

碳鋼管在不低于－20℃時處于延性狀態，可正常使用。如果使用溫度低于或等于－20℃，碳鋼管就逐漸變為以脆性為主，使用受到一定條件的限制。低溫管道設計主要考慮兩個問題:① 低溫脆性;②保冷結構設計和由保冷需求而產生的一系列設計要求。其主要設計要點如下:

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

(2)低溫管道要考慮整個管道有足夠的柔性，應充分利用管道的自然補償。當無法自然補償的時候，應設置補償器。

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

(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構，而需恰當布置閥門位置，見圖1。

圖1 調節閥組布置示意圖

(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計溫度低于－46℃工作的閥門，其特點是主閥體與操作手輪之間裝有氣柱和加長閥蓋結構。這種結構的作用使閥門從極低溫度到工作點有一個溫度梯度，等于或大于工作點時，氣柱將處于某一能使液化氣體不再是液態而回復為氣態的溫度，并且閥蓋加長的長度應能使閥桿填料的材料保持在允許操作的公稱溫度范圍內。為了避免液態氣質充滿氣柱，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。根據管網狀況，低溫球閥安裝方向也有正裝、反裝的區別。

(6)乙烯干燥器等設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。管道設計時應考慮管道的移動、管道與相鄰的管道、設備及結構梁之間應留有足夠大的間隙，特別是在彎頭拐彎處，應充分考慮管道保溫厚度，避免管道熱脹時保冷層被相鄰設備和結構梁破壞。

低溫管道容易氣化，需要采取溫度安全閥等措施保障管網安全。

3 低溫管道的保冷設計

選擇經濟保冷材料有最重要的兩個技術指標:①是導熱系數，因為導熱系數與管道的熱損失成正比，當有多種保冷材料可以選擇時，材料的導熱系數與其單位體積價格的乘積越小則越經濟;②是密度，通常材料密度越小，其導熱系數越小。目前國內的石化裝置低溫管道通常選用的保冷材料有硬質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

對比各項指標，當設計溫度大于或等于－65℃時，保冷層材料可選用硬質聚氨酯塑料泡沫;當設計溫度低于－65℃時，在保證保冷層厚度基礎上，宜采用復合保冷技術，即保冷層為泡沫玻璃和聚氨脂復合材料，內保為一層或多層泡沫玻璃瓦塊，外保為聚氨酯瓦塊。

當隔熱層厚度≥80 mm時，應分層。當內外層采用同種材料時，內外層厚度應相同;當內外層采用不同材料時，內外層厚度的比例應保證內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符合《工業設備及管道絕熱工程施工及驗收規范》GB J126要求，且其氯離子濃度不應超過25 ppm。

4 低溫管道的支架設計

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

低溫管道的支架設計應與其保冷結構一起整體考慮，支架的設計應在不破壞其保冷層的基礎上進行。低溫管道水平敷設時，一般采用管箍式結構，將支架管部緊固在保冷結構外，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，確保當管道發生變形時，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。當管道公稱直徑大于250 mm時，需在每個螺栓處設置加強板。螺栓與管道豎直方向的夾角為50°，這樣可以減少平行敷設的管道之間的管間距，此角度可根據管托長度現場調整。圖2為一種滑動支架結構形式。

圖2 滑動支架結構圖

當塔器設備直徑較小，如脫甲烷塔，且沿塔敷設的管道較多時，設備平臺、梯子及管道支架生根件與設備之間均需要墊隔冷塊，且設備要求熱處理，這些生根件均需要預埋墊板。在設計此部分管道支架時，應特別考慮這些生根件墊板之間避免重疊，必要時可以與設備等專業協商整體考慮墊板。

5 結語

DMTO裝置烯烴分離低溫管道在管道設計時應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，管道應選擇恰當的保溫材料及保溫結構，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)技術的研究開發及工業性試驗 ［J］.中國科學院院刊，2006，21(5):406－408.

2 國家質量監督檢驗檢疫總局特種設備安全監察局.全國壓力管道設計審批人員培訓教材(第二版)［M］.北京:中國石化出版社，2011.