CO變換裝置管道設計相關問題淺析

李智傢(中國天辰工程有限公司管道工程部,天津 300400)

CO變換裝置管道設計相關問題淺析

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計、高溫管道支吊架設計、大口徑氣體管線荷載條件計算三個方面進行分析和探討

CO變換裝置管道;柔性管道;支架管道;荷載

近年來，隨著煤化工產業的迅猛發展，CO變換裝置的規模也逐步擴大。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計溫度高達480℃，設計壓力達到4.6MPaG，管道內介質為變換氣，其主要成分為CO和H2，屬于有毒、有害，易燃易爆氣體。因此，這些管道的運行狀況，將直接影響著裝置的安全運行。另外，由于變換氣管道長期在臨氫、含硫、高溫高壓介質下運行，存在氫腐蝕、應力腐蝕等損傷機理[1]，管道材質通常為鉻鉬鋼或不銹鋼，管道布置的經濟性對裝置的投資費用影響較大，CO變換裝置在進行管道布置時，必須慎重考慮。本文將從變換氣管道柔性設計、高溫管道支吊架設計、大口徑氣體管線荷載條件計算三個方面進行分析和探討。

1 變換氣管道柔性設計

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

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償能力。

為了增加管道柔性，在設備布置時就必須要對變換氣管線的走向進行初步規劃，在配管設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形的自然補償來增加管道的柔性，同時在必要位置處設置彈簧支架，使管道應力在合理的范圍內。

天辰公司管機專業的PM-SP-009《靜設備管口允許荷載規定》中規定的管口許用荷載，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為比較可行的做法是設備專業在確定設備壁厚時，增加30%~50%的設計裕量，并且盡量在設備管口處增加補強，以提高設備管口的許用荷載，這樣雖然會增加少量設備投資，但對于CO變換裝置的設計進度和投資費用都是有利的。

2 高溫管道支吊架設計

2.1 管架材質

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，在設計管架時會出現超出HG/T21629-1999《管架標準圖》中碳鋼管架的使用范圍的情況，影響管線的設計安全。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選擇與管道同材質，避免由于溫度過高導致管架強度不夠，保證管架的設計安全。

2.2 管道支吊架的偏裝

由于管道溫度高，導致在某一方向上敷設長度較長時，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，延管廊敷設了40米，管道材質為15CrMo，膨脹系數為12*10-6/℃，則最遠端的位移量為144mm，如果按常規情況設計管道支架就會有管架脫落的危險，影響管道的設計安全。因此在設計此類熱位移較大處的管道支架時，應選用加長管托，并且在設計文件中注明管架的安裝位置應從支撐面中心向位移反方向偏移，偏移量應為位移值的1/2。

對于管道吊架，管道熱位移大雖然不會導致管架脫落，但如果吊桿與垂線間角度過大也會影響支架的受力。在管道設計中，對于吊桿型管架的偏裝也是容易被設計人員忽視。對于熱位移較大處的吊桿型管架安裝要滿足：在冷態時，吊桿應有預傾斜量，吊桿傾斜角度應使管夾與管架生根點的水平距離為該處熱位移量的1/2，按管架設計規定，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?；在熱態時，吊桿應垂直，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，以滿足設計文件安全性和經濟性的要求。根據GB 51006-2014《石油化工建（構）筑物結構荷載規范》中8.1.1規定：石油化工建（構）筑物結構設計時，應根據正常操作、停產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進行荷載組合，并應取各自的最不利組合進行設計[4]。以某項目CO變換裝置水煤氣管線為例，管道的帶節點號應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構專業提出荷載條件時必須加以考慮，避免結構框架因為瞬間巨大的壓力被壓壞。對于總承包項目，隨著精細化設計理念的推廣，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，供結構專業進行結構設計，在滿足設計安全性的前提下兼顧設計經濟性，提高工程設計質量和經濟效益。

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

[2]HG/T20645-1998《化工裝置管道機械設計規定》.

[3]PM-SP-009《靜設備管口允許荷載規定》.