异壬醇装置高压管道设计

李辅民

福陆（中国）工程建设有限公司 （上海 201103）

异壬醇装置高压管道的设计应重点考虑以下几个问题：设备布置满足安全（防火、防爆）要求的同时要便于安装、操作和检修；管道布置在满足工艺流程图的要求下长度应尽可能短，由于管道壁较厚，管道布置应保证足够柔性，还需特别注意高压泵及压缩机出口管道的减振设计，合理设置通道和平台以满足安装、操作和检修要求；材料应根据设计条件选择合适的压力等级和壁厚，同时还应满足国家标准及规范和经济性要求；应力分析应保证管口受力满足设备厂家提出的力和力矩的要求，保证管系受力合理、柔性满足各种工况的要求，还应特别注意控制法兰的力和力矩。在施工过程中应特别重视焊接质量、法兰紧固程序和力矩值的控制。本文以某异壬醇装置的高压管道设计为例，对上述几个方面进行阐述。

1 项目背景及概述

近年来，随着塑料行业的迅速发展和人们对环保要求的进一步提高，新一代增塑剂邻苯二甲酸二异壬酯（DINP）在玩具和电线电缆中得到广泛应用。异壬醇（INA）作为生产DINP的原料，需求量也随之快速增长。

某项目采用国外专利技术——高压羰基合成醇工艺生产异壬醇，主体工程包括丁烯二聚制异辛烯和异辛烯羰基合成制异壬醇两个工艺单元，其中丁烯二聚制异辛烯包括抽余油的干燥和净化、丁烯二聚、产品分离等工序；异壬醇的合成包括羰基合成单元、加氢单元和精馏单元。辅助系统包括中间罐区、循环水塔、管廊、火炬、消防水池和泵房等。

异壬醇合成单元的高压管道（文中指设计压力为29.5M Pa的管道）共有28条，重点讨论了异壬醇装置高压管道的设计、材料选择和应力分析等应注意的问题，以期为类似高压管道的设计提供参考。

2 流程简介

异辛烯羰基合成制异壬醇的主要反应流程是由罐区来的异辛烯和界区来的合成气在约27MPa的压力和约185℃的温度下进行羰基化反应生成异壬醛，催化剂为醋酸钴溶液，主反应化学方程式见式（1）。具体工艺流程（见图1）为经处理过的合成气由合成气压缩机压缩后和来自罐区并经高压泵（U 4111A/B）增压的异辛烯以及制备系统来的液相催化剂一起进入一段羰基化反应器（R 4140）和二段羰基化反应器（R 4142）内进行反应，反应热进入蒸汽发生器（E 4146A/B）用于产生蒸汽，生成的异壬醛和氢气进入加氢系统反应生成异壬醇。

图1 异辛烯羰基化制备异壬醇工艺流程

3 设备布置

3.1 平面布置

该项目工程内容包括2台高压反应器，预留1台。G B50160—2008《石油化工企业设计防火规范》（以下简称石化规）中5.2.19规定：高压和超高压的压力设备宜布置在装置的一端或一侧，有爆炸危险的超高压反应设备宜布置在防爆构筑物内。因此该项目将高压反应器布置在装置东侧的构筑物内，参见图2。反应器的东侧距离道路边缘28m，该区域主要用于高压反应器的安装和检修，同时满足业主项目规定的安全距离要求。南侧布置合成气压缩机，与高压反应器的最近距离为13.05m，满足石化规表5.2.1中可燃气体压缩机与其他工艺设备防火间距不小于9m的要求。西侧为高压泵区及装置内管廊，异辛烯进料高压泵靠近高压反应器布置，以尽可能地减少管道长度。两台泵中间的净距离为4.5m，为高压泵的检修区，满足厂家提出的净距离不小于2.5m的要求。同时在高压泵的上部设置了可向四个方向移动的手动葫芦以方便高压泵的检修。高压泵与合成气压缩机的距离为10.88m，满足石化规表5.2.1可燃气体压缩机与其他工艺设备防火间距不小于9m的要求。[1]

图2 异壬醇装置高压区设备布置简图

高压反应器为立式设备，直径2m，高26m，采用裙座支撑，裙座高1m，重约200t，支撑在框架的4m层。考虑到反应器的操作温度为192℃，增加了30m m厚的耐高温玻璃钢隔热垫以保证支撑反应器的结构钢梁不受反应器温度变化的影响。

3.2 平台设置

平台的设计不仅要满足规范要求，还应满足操作、安装、检修及配管的要求。高压反应区分别在距地面4、15.5、22.5及26m处设置了4个平台。4m层平台主要用于支撑2个反应器，同时方便操作调节阀组，并设有两个直爬梯通向地面。15.5m平台主要用于异辛烯预热器和进料阀组的检修以及安全阀的操作维护，并设有两个过桥通向工艺装置区框架。22.5m平台主要用于检修反应器和蒸汽管道阀组的操作维护，也设置了两个过桥通向工艺装置区框架。26m平台主要用于反应器安全阀的操作维护，由于平台长度小于8m，故只设置了一个直爬梯通向22.5m平台。

高压泵区设置了1.9m高的平台，主要用于操作高压泵进料管道上的阀门和氮气吹扫阀组，同时也作为高压泵出口管道和安全阀管道支架的生根点，由于平台长度不大于8m，故只设置了一个直爬梯通向地面。

合成气压缩机的平台由厂家设计，设置了一个斜梯和一个直爬梯，以满足操作、检修和配管要求。

4 管道布置

4.1 高压泵进出口管道布置

两台高压泵进、出口管道对称布置。之前某项目中，高压泵出口管道的前4个支架都生根在钢平台上，导致实际运行中振动较剧烈（整个钢平台都跟着振动）。总结经验后，该项目对管道布置和平台设计进行了改进，出口高压侧管道前4个支架生根在地面混凝土墩上，同时选用防振限位支架，以便尽可能避免或减少管系振动。压力低的高压泵入口管道在平台上分别进入两台高压泵入口，两台高压泵的出口管道在平台上合并后进入预热器。预热器入口的调节阀组布置在靠近预热器的15.5m平台上，以便于操作和检修。经过预热器预热后的安全阀、温度计、压力变送器、切断阀门等也布置在15.5m的平台上以便于操作。该异辛烯管道在4m平台上和从合成气压缩机来的合成气合并后进入高压反应器。由于合成气为气相，异辛烯为液相，合并后流体为气液两相流，为了减少管道振动，汇合点应尽量靠近反应器，同时气液两相流的管道尽可能短。综合操作便利性和气液两相流振动两个因素，将汇合点设置在4m平台上，距离反应器管嘴大约4m。在满足应力分析和防振设计的条件下，两相流管道尽量采用直管道，同时增加支架刚性。

高压泵及压缩机出口管道不仅要进行静力分析，还要将管道的单线图（简称ISO）、工艺流程图、设备厂家图纸、支架标准图、保温材料物理参数等提交给高压泵厂家进行动力分析，并依据动力分析结果和要求调整管道布置和支架位置。该项目厂家提出要在高压泵出口安装一个减振器，在对管道布置进行修改并通过静应力分析后，再次由厂家进行动力分析，直至管道布置同时达到静力分析和动力分析的要求。压缩机出口管道布置参照高压泵管道出口布置。

4.2 反应器顶部管道布置

顶部高压系统主要由主反应产物异壬醛管道（进入蒸汽发生器进行热量回收）和顶部安全阀系统组成。高压异壬醛管道设置弹簧架以吸收高压反应器的热位移并控制反应器管嘴力，同时便于压力表和阀门的操作。高压反应器的安全阀布置在26m平台上，考虑到高压反应器热膨胀的影响并结合应力分析返回条件，在安全阀进口管道设置弹簧架以吸收反应器的热位移。顶部管线还需增加配对法兰，以便于反应器的检修。

4.3 反应器底部地上管道布置

反应器底部与地面距离为3.5m，底部高压管道系统主要由高压减压系统和高压泄压系统组成。根据操作及检修的要求，高压减压阀组和顶部检修用的泄压阀组应布置在地面上，同时反应器底部还要留有检修空间，这使得反应器底部本来就不宽裕的地面空间变得更加紧张。通过和应力工程师及业主工程师的多次方案比较、修改，最终确定了反应器底部地面管道布置。

5 材料选择

5.1 设计参数确定

根据工艺专业提供的条件，高压管道中最苛刻的工作压力为27.8MPa、工作温度为192℃、安全阀整定压力29.5MPa，参照G B/T20801.3—2006《压力管道规范 工业管道 第3部分：设计和计算》4.1中的设计条件，同时考虑200℃时316不锈钢法兰的最高许用压力为29.7MPa，设计压力取29.5MPa，设计温度取200℃。

5.2 管道材料选择

管道材料是管道设计的基石，直接影响到压力管道的安全性、可靠性和经济性。现有装置的异壬醇高压管道材料采用德国标准化学会（DIN）发布的DIN17458中规定的1.4401不锈钢材料，其化学成分和力学性能相当于美国材料与试验协会（ASTM）规定的ASTM A312 TP316不锈钢管道材料。由于其他管道采用ASME标准，如果高压管道要采用DIN标准的不锈钢材料，则设计、采购和施工都必须符合两套标准，将大大增加工程造价。于是该项目采用ASTMA 312316L/316双牌号不锈钢（化学成分符合316L，而力学性能可按316的要求选取）。各标准中规定材料的化学成分及力学性能见表1和表2。

表1 材料化学成分%

表2 材料力学性能

对厂家提供的材料进行测试，各项数据均高于标准要求，可见选用316L/316双牌号不锈钢作为高压管道系统的材料完全满足设计要求。

5.3 管道压力等级的确定

根据G B50316—2008《工业金属管道设计规范》[2]3.2.1.1：

式中，pA——设计温度下的许用压力，MPa；

PN——公称压力，MPa；

[σ]t——设计温度下材料的许用应力，MPa；

[σ]x——决定组成件厚度时采用的计算温度下材料的许用应力，MPa；

以异壬醇装置高压管道系统最苛刻条件下的工况为例：高压加氢甲酰化一段反应器到二段反应器的主物料管道操作温度192℃，操作压力27.8MPa，设计温度200℃，设计压力29.5MPa，管道材料为ASTM A312316L/316双牌号不锈钢。查ASME B31.3-2012附表A-1，得到金属的许用应力值。200℃时，[σ]t=134MPa；40℃时，[σ]x=138MPa。经计算得PN=30.4MPa。

根据计算结果选取C L 2500磅（PN 42MPa）压力等级。

根据ASME B16.5-2013中温度压力等级表2.2材料组别可以得到C L 2500磅等级的法兰在192℃下的最高许用压力为30.10MPa（内插法），大于设计压力29.5MPa。说明管道等级选取是合适的。

5.3 管道壁厚计算

根据G B50316—2008：

其中，ts——直管计算壁厚，mm；

p——设计压力，MPa；

D0——管道外径，mm；

Ej——焊接接头系数；

tsd——直管设计壁厚，mm；

Y——温度影响系数；

C——厚度附加量之和，mm；

C1——厚度减薄附加量，包括加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏差，mm；

C2——腐蚀或磨蚀附加量，mm。

以DN100mm的高压管道为例，计算管道壁厚。管道设计压力p=29.5MPa；管道外径D0=114.3mm；管道在设计温度200°C下的许用应力 [σ]t=134MPa；无缝钢管的焊接接头系数Ej=1.0；经查表，温度低于482°C时，奥氏体不锈钢的温度影响系数Y=0.4；根据工艺和腐蚀专业提供的数据得腐蚀裕量C2=1.5mm，厚度负偏差率为12.5%。经计算得：ts=11.56mm，C1=1.45mm；tsd=14.51mm。

ASME B36.19M-2004规定最大壁厚为8.56mm，而标准中又指明ASME B36.10M-2004壁厚系列同样适用于能够从市场上购买到的不锈钢管道。对应ASME B36.10M-2004中XXS160的管道壁厚为17.12mm，圆整至18mm。以上计算公式要求计算壁厚小于外径（114.3mm）与6的比值（19.05mm），所以高压管道DN100mm的管道壁厚选18mm是合适的。

6 应力分析

异壬醇装置高压管道系统的应力分析方法与普通压力管道的应力分析方法相同，都要校核一次应力和二次应力,但高压管道壁比较厚、刚度大、柔性较差，所以在布置高压管道时，不仅要满足操作、安装和检修的要求，还应满足应力分析的要求，以保证管道系统在高压下受到的推力和弯矩在合理范围内。由于C L 2500磅等级的法兰在192℃下的许用应力（30.30MPa）接近设计压力（29.5MPa），该项目对高压法兰泄漏进行了重点分析和计算。

一般情况下，在化工装置管道设计过程中，标准法兰是不需要校核的。但以下情况下需要校核法兰以确保管道系统安全：（1）非标法兰；（2）法兰泄露会带来巨大危害，例如极度危害介质的管道；（3）法兰处可能存在大的弯矩；（4）其他项目规定或业主要求需要校核的情况。

应力分析软件CAESAR II常用的法兰校核方法有等效压力法和ASME SEC VIII方法。其中等效压力法于20世纪50年代由Kellogg公司发明，被广泛运用于工程领域。但其具有很大的保守性，根据利用等效压力法计算法兰设计压力的工程经验，等效压力值超过设计压力值20%以内可以认为该法兰是安全的。

当量压力计算公式[3]：

式中，peq——当量压力，MPa；

p1——管道工作压力，MPa；

M——法兰承受的弯曲力矩，N·m；

Mx——法兰在某一方向所承受的弯曲力矩，N·m；

My——法兰在与上述方向的垂直方向所承受的弯曲力矩，N·m；

F——法兰所承受的拉力（不包括内压产生的拉力），N；

D——垫片的计算直径，m m；

以DN100mm反应器出口管道为例，根据应力报告230节点法兰的受力情况为：Mx=181N·m，My=-1784N·m，则 M=1793N·m，F 在x轴方向是受压力，F=-2608N。DN100的CL2500磅等级的法兰垫片计算直径为157.16mm，则peq=2.22MPa，法兰的设计压力p=30.02MPa。等效压力为法兰设计压力的7.4%左右，小于20%，说明该法兰不存在泄漏风险。

设计过程中，如果法兰用等效压力法验算不通过的话，需要采用ASME SEC VIII法兰校核方法进行进一步校核和分析，以确保其在设计过程中的安全性。

7 施工说明

异壬醇装置高压管道具有管壁厚、管道等级高等特点，因此在其施工过程中要给予高度重视。材料检验、焊接工艺评定、焊前及焊后热处理、管道安装等都要进行严格控制和管理。根据G B50316—2008中的5.2.4，当无缝钢管用于设计压力大于或等于10MPa时，不锈钢的出厂检验项目不应低于G B/T 14976—2012《流体输送用不锈钢无缝钢管》规定[2]。

法兰安装时不可采用预制管道代替阀门、仪表件、特殊件等进行试压后的组装定位，现场焊缝对口前，法兰连接件必须连接完成，同时管架应已按设计要求正确安装完成，不能脱空及预加设计要求之外的任何附加载荷。此外，应经施工管理人员检验合格后才能进行对口焊接，同时还需严格控制施工附加应力，以避免其作用到法兰连接面。高压法兰的密封采用金属环垫，应符合S H/T 3403—2013《石油化工钢制管法兰用金属环垫》或与其相当的标准规定。[4]环槽面法兰装配前，法兰环槽密封面与金属环垫应进行接触线检查，当金属环垫在密封面上转动45°后，检查接触线不得有间断现象。法兰螺栓的紧固应根据项目规定选用紧固工具和紧固程序，法兰紧固的力矩值应符合项目规定的要求。

8 结语

异壬醇装置高压管道设计涉及设备布置、管道布置、三维模型建立和单线图生成、材料选型、应力计算、支吊架设计、土建条件发布、保温涂漆设计、供货商图纸审查及技术澄清等内容，是团队协作性要求较高的项目。所以在高压管道设计中不仅要做好本专业的工作，还要协调好其他专业的工作以不断优化设计、提高设计质量、保证高压管道在设计阶段的安全性，同时在重要的施工节点增加施工说明，提醒施工单位重视施工方法和程序，保证施工质量，只有这样才能尽可能地将高压管道的泄漏风险降到最低。

[1]G B50160—2008石油化工企业设计防火规范[S].

[2]G B50316—2008工业金属管道设计规范[S].

[3]张德姜,王怀义,刘邵叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册 第一篇 设计与计算[M].4版.北京:中国石化出版社,2009:678.

[4]王怀义.石油化工管道安装设计便查手册[M].3版.北京:中国石化出版社,2010:369.