異丁烯裝置冷箱配管設計初探

邱玉琳(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

異丁烯裝置冷箱配管設計初探

邱玉琳(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

以山東玉皇異丁烯裝置冷箱的配管設計為實例，綜合闡述了低溫管道的特點及其配管設計的難點與要點。冷箱內部換熱器及其管口由鎂鋁合金制成，管口許用應力及力矩較小。因此冷箱配管設計要求管道有較好的柔性，并應通過詳細的應力分析，合理的設置支吊架。同時還應對易振動的兩相流管道進行有效的固定。

冷箱；低溫；材料；應力；配管設計

1 冷箱特性

山東玉皇化工異丁烯裝置是一種將原料異丁烷在催化劑作用下，通過脫氫反應制取異丁烯的新型化工裝置。異丁烯裝置內的丙烯制冷部分，設有丙烯壓縮機，為裝置內的低溫分離部分提供冷量。冷箱即是異丁烯裝置低溫分離部分的核心設備，冷箱外形如圖1所示。

圖1.山東玉皇異丁烯裝置冷箱外形圖

近年來冷箱國產化程度越來越高，本文所述異丁烯裝置中所用冷箱即為杭氧生產。該冷箱主要由外殼和內部鎂鋁合金制板翅式換熱器兩部分組成。板翅式換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、重量輕等諸多優點，因此在國民經濟的各個領域用途非常廣泛。同時板翅式換熱器也有明顯缺陷，比如換熱翅片間流道很小，極易堵塞且清理維護困難。所以，流入冷箱的物料必須是較為清潔的流體。除外殼外，冷箱內部構件均為鎂鋁合金制成，包括接口法蘭。鎂鋁合金質地較軟，冷箱管口所能承受應力和力矩也遠小于同口徑的鋼制設備管口。了解冷箱特性，特別是冷箱主體材料及內部構造，是做好冷箱配管設計的前提條件。

2 冷箱布置要求

GB50235-2010《工業金屬管道工程施工規范》和SH3501-2011《石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規范》將設計溫度低于-29℃的管道定義為低溫管道。ASME B31.3規范中將-29℃作為管道設計的一個控制指標，并根據管道實際低溫工況和選用的材料及其壁厚等情況來確定是否應按低溫工況來進行設計、制造、檢驗和驗收[1-2]。

圖2.冷區平面布置圖

與冷箱相連接的管道多為低溫管道（設計溫度為-29℃至-120℃），為減小投資，應將與冷箱相連接的低溫設備集中布置，盡量減少低溫管道的總長度。冷區平面布置圖如圖2所示。低溫設備集中布置一方面可以減少投資，另一方面也可以降低保冷管線的保冷面積，減小冷量損失。除了滿足上述要求外，根據異丁烯裝置冷箱設備自身的特點，配管設計中還應著重考慮以下幾個方面。

2.1 冷箱工藝管道特點

異丁烯裝置冷箱的管口數量較多，且管口間距很小；此外與冷箱相連的管道，管內工藝介質溫度很低，所以這些低溫管道都具有較厚的保冷層；加上冷箱入口處的多個過濾器和冷箱除冰用的注防凍液線等公用工程管道，造成冷箱周圍管道非常密集。在冷箱周圍狹小的空間內合理的布置眾多工藝管道和公用工程管道，并預留相應的操作和檢修空間，是冷箱配管設計的關鍵所在。冷箱是實現相關工藝介質冷量交換的設備，其主要作用是給相關工藝介質提供冷量。

根據工藝包的描述，冷箱的布置應優先滿足其與丙烯壓縮機一級入口分液罐之間的熱虹吸要求。流入冷箱內的工藝介質為液態飽和烴類，飽和液體烴類輸送過程中在管阻壓力降和受熱的雙重作用下會迅速汽化，從而產生兩相流。出現兩相流動時，管道流量減小，阻力增大，如氣化率高還可能在管道內產生液擊現象[2]。兩相流管道內氣相和液相的密度相差很大，這樣的流體在管道內流動時易導致管道發生振動。因此冷箱配管設計在滿足工藝要求條件下，應做好低溫管線的保冷措施，減少冷量損失；在滿足管道柔性的前提下減少低溫管道的管阻壓降，盡量避免低溫管道出現袋型配管。

2.2 低溫管道及閥門的布置

低溫管道常用的材料是低溫沖擊韌性較好的低溫碳鋼，奧氏體不銹鋼等[3-4]。低溫管道材料價格較高，出于控制裝置建設成本及節能環保的考慮，在滿足管道柔性的基礎上，應盡量減少低溫管道的長度。和普通閥門相比，低溫管道所使用的閥門（止回閥除外）具有一些特殊結構。低溫閥門閥柄較長，閥柄內部有一段具有一定壓力的氣柱，這一氣柱可避免閥體內的低溫液體與外部水汽產生直接接觸，能夠較大幅度的減少低溫液體與外部介質之間產生的熱交換，進而造成的冷量損失。同時，也可以避免閥桿因為溫度過低，水汽在閥桿處冷凝結冰，影響正常操作。因此，為了保證閥門的正常操作及降低低溫管道的冷量損失，要求管道內部為液體的低溫閥門閥體水平安裝，閥柄豎直向上或最小45°向上。低溫調節閥的模頭尺寸較大，需要很大的檢修空間。考慮到操作和檢修等因素，低溫管線的調節閥組水平布置較為合適，將切斷閥、調節閥及旁通閥布置在同一高度水平面。此外，帶泄壓孔的低溫閘閥安裝時應特別注意泄壓孔的方向。

冷箱內部的翅片式換熱器流道窄、易堵塞，對流入的工藝介質清潔度有很高的要求。因此所有冷箱的入口管線都應設置過濾器。冷箱結構緊湊，管嘴間距較小，應綜合考慮操作、檢修以及管道柔性的要求成列設置過濾器，合理利用空間。為滿足管道水壓試驗、吹掃及冷箱氮氣封裝等特殊要求，在冷箱進出口處均應設置可拆卸短節，以備在需要時設置跨線。冷箱入口管線還應設置注甲醇管線，如冷箱內部結冰造成翅片式換熱器堵塞，可往入口處注入甲醇除冰。

2.3 冷箱配管支架設置及應力要求

冷箱管口及內部換熱器為鎂鋁合金6061-T6制成，這一材料具有良好的機械加工性能和抗腐蝕性能，但其質地較軟、硬度和剛度小、韌性差，約為同口徑下鋼制管口許用力和力矩的1/3[5]。冷箱鎂鋁合金管口通過不銹鋼法蘭與工藝管道連接。因為冷箱管口許用力及力矩都非常小，所以在滿足無袋型配管的情況下應盡量增加管線的柔性，距冷箱管口最近的幾個支架考慮設置為彈簧支架，同時在距離管口較遠處考慮通過管系自然補償以降低二次應力對冷箱管口的作用。

由以上論述可知，冷箱管口許用應力很低；同時考慮到異丁烯裝置低溫分離部分與乙烯裝置低溫分離部分工藝條件的相似性，為保護冷箱設備，異丁烯裝置冷箱配管施工應滿足管口無應力要求。冷箱管口無應力配管施工指的是，在操作狀態下，冷箱管口沒有因為施工而產生的附加應力和力矩。

低溫管道溫度較低，管線的應力計算主要是通過對管線柔性的分析來校核管道在操作溫度和設計溫度下的一次應力和二次應力，使其低于材料的許用應力；同時校核操作溫度下管道對設備管口的力和力矩不超過許用范圍[6]。為保證冷箱設備的正常運行和操作，應將冷箱內與板翅式換熱器管口相連的每一根管道都進行應力計算。應力分析的內容除冷箱外的低溫管道自身應力問題外，還應考慮冷箱內鋁制接管線性膨脹對管口應力的影響。在設置管道支架時應盡量避免因為支架設置不當導致鋁制管口法蘭的變形。

根據乙烯裝置冷箱配管無應力配管施工的經驗，通常冷箱無應力配管施工有兩種方法[5]。第一種是從冷箱管口開始安裝管道，管道向遠處延伸，直至管道全部安裝完成。在這管道安裝方式下，冷箱管口安裝所產生的應力難以得到有效控制，最后階段需要二次調校才能滿足冷箱管口無應力配管要求，調校需要經過較為繁瑣的應力計算且需要較長的時間。第二種施工方法是首先從遠離冷箱管口管道開始朝冷箱管口施工，然后安裝冷箱本體法蘭口管段，最后一個焊口設置在距離冷箱管口較近處，通過最后一道焊縫施焊時管道應力的自調節實現管口無應力配管。這一施工方式可以避免管道應力的二次較調，避免了施工的重復并且減少了人力成本。

冷箱進出口管線多為兩相流管線，兩相流在管內的流動狀態會隨著介質流速、氣液兩相介質密度以及液相表面張力的變化而變化。因為管道內輸送的工藝介質氣相和液相的密度差別很大，所以這類管道很容易產生振動。為使低溫分離部分的設備和管道安全平穩的運行，應對此類兩相流管道進行有效的固定。固定這類兩相流管道的支架要求具有較大的剛度和強度。

3 結語

山東玉皇異丁烯裝置所用工藝是從國外引進的全新工藝，國內沒有可供參考的配管設計。本文結合異丁烯裝置低溫分離部分的特點并借鑒國內外乙烯裝置冷箱配管設計的成熟經驗，闡述了異丁烯裝置冷箱配管設計的要點。異丁烯裝置冷箱操作溫度很低，因此配管設計時要充分考慮到低溫管道的保冷、低溫閥門的操作與檢修、低溫管道兩相流等諸多因素，合理的布置低溫管道。冷箱設備內部翅片式換熱器及管口均由鋁鎂合金制成，因此管口許用受力和力矩都很小，配管設計時應充分利用管道自然補償以降低冷箱管口受力；通過詳細的應力分析，合理的設置剛性支架和彈簧支架；此外與冷箱管口相連的管道，應做到無應力配管施工，確保應力分析結果的準確性。

[1]張海紅,胡曉明,程久歡.LNG低溫管道材料研究[J].化工科技市場,2010,33(2):32-41.

[2]楊慶朝.乙烯裝置中低溫材料的選用及特點[J].乙烯工業,2007,19(4):38-41.

[3]劉仲亮.乙烯裝置中低溫管道設計[J].石化技術,2002,9 (4):235-237.

[4]張愛華.大型乙烯裝置裂解氣深冷系統設備和管道布置研究[J].石油化工設計,2011,28(3):40-42.

[5]伍凌梅.冷箱的配管設計[J].乙烯工業,2002,14(2):43-46.

[6]張德姜，王懷義，劉紹葉主編.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊第一篇.設計與計算（第四版），北京.2009.

姓名：邱玉琳（1985-），性別男，民族漢，籍貫江西南康，職務/職稱：工程師，學歷：碩士研究生，研究方向：從事石油化工管道設計工作。