CO变换装置管道设计相关问题浅析

李智傢(中国天辰工程有限公司管道工程部,天津 300400)

CO变换装置管道设计相关问题浅析

李智傢(中国天辰工程有限公司管道工程部,天津 300400)

本文主要从变换气管道柔性设计、高温管道支吊架设计、大口径气体管线荷载条件计算三个方面进行分析和探讨

CO变换装置管道;柔性管道;支架管道;荷载

近年来，随着煤化工产业的迅猛发展，CO变换装置的规模也逐步扩大。CO变换装置中的水煤气和变换气管道几乎都为大口径、高温、高压的管道。以变换炉出口管道为例，目前煤化工项目变换装置中变换炉出口的设计温度高达480℃，设计压力达到4.6MPaG，管道内介质为变换气，其主要成分为CO和H2，属于有毒、有害，易燃易爆气体。因此，这些管道的运行状况，将直接影响着装置的安全运行。另外，由于变换气管道长期在临氢、含硫、高温高压介质下运行，存在氢腐蚀、应力腐蚀等损伤机理[1]，管道材质通常为铬钼钢或不锈钢，管道布置的经济性对装置的投资费用影响较大，CO变换装置在进行管道布置时，必须慎重考虑。本文将从变换气管道柔性设计、高温管道支吊架设计、大口径气体管线荷载条件计算三个方面进行分析和探讨。

1 变换气管道柔性设计

CO变换装置中的临界管线很多，管道应力计算的工作量很大，管道应力计算完成时间对设计进度有很重要的影响，在配管设计时，设计人员必须对临界管线的配管有足够的重视，进行深入仔细的研究。

合理的利用弹簧支架，可以在不改变管线走向的前提下增加管道的补偿能力。

为了增加管道柔性，在设备布置时就必须要对变换气管线的走向进行初步规划，在配管设计时要避免这些管道在平面上直线连接，而要通过走U形或π形的自然补偿来增加管道的柔性，同时在必要位置处设置弹簧支架，使管道应力在合理的范围内。

天辰公司管机专业的PM-SP-009《静设备管口允许荷载规定》中规定的管口许用荷载，对于变换装置中的水煤气管道和变换气管口又偏小。对此问题，笔者个人在项目实践中认为比较可行的做法是设备专业在确定设备壁厚时，增加30%~50%的设计裕量，并且尽量在设备管口处增加补强，以提高设备管口的许用荷载，这样虽然会增加少量设备投资，但对于CO变换装置的设计进度和投资费用都是有利的。

2 高温管道支吊架设计

2.1 管架材质

变换装置中的变换气管道、过热蒸汽管道温度较高，点荷载较大，在设计管架时会出现超出HG/T21629-1999《管架标准图》中碳钢管架的使用范围的情况，影响管线的设计安全。因此，在温度高、荷载大的荷载点处选用管架时需特别注意：与管道直接接触部分均应选择与管道同材质，避免由于温度过高导致管架强度不够，保证管架的设计安全。

2.2 管道支吊架的偏装

由于管道温度高，导致在某一方向上敷设长度较长时，管道位移会很大。以某项目CO变换装置中的过热蒸汽管道为例，管道操作温度260度，延管廊敷设了40米，管道材质为15CrMo，膨胀系数为12*10-6/℃，则最远端的位移量为144mm，如果按常规情况设计管道支架就会有管架脱落的危险，影响管道的设计安全。因此在设计此类热位移较大处的管道支架时，应选用加长管托，并且在设计文件中注明管架的安装位置应从支撑面中心向位移反方向偏移，偏移量应为位移值的1/2。

对于管道吊架，管道热位移大虽然不会导致管架脱落，但如果吊杆与垂线间角度过大也会影响支架的受力。在管道设计中，对于吊杆型管架的偏装也是容易被设计人员忽视。对于热位移较大处的吊杆型管架安装要满足：在冷态时，吊杆应有预倾斜量，吊杆倾斜角度应使管夹与管架生根点的水平距离为该处热位移量的1/2，按管架设计规定，刚性装吊杆与垂线间夹角不超过3˚，可变弹簧支吊架和恒力支吊架吊杆与垂线间夹角不超过4˚；在热态时，吊杆应垂直，无倾斜。

3 大口径气体管线荷载条件计算

管道的荷载可以分为安装荷载、试验荷载以及操作荷载。一般而言，对于小口径气体管线或者液体管线，管道专业提荷载条件时，只需选择安装荷载和操作荷载中的较大值即可。而CO变换工段的水煤气及变换气管线由于压力高，只能选择水压试验，此时管道的压力试验荷载就成为必须要慎重考虑的问题，以满足设计文件安全性和经济性的要求。根据GB 51006-2014《石油化工建（构）筑物结构荷载规范》中8.1.1规定：石油化工建（构）筑物结构设计时，应根据正常操作、停产检修和充水试压三种工况中可能存在的荷载，按承载能力极限状态进行荷载组合，并应取各自的最不利组合进行设计[4]。以某项目CO变换装置水煤气管线为例，管道的带节点号应力计算模型及操作荷载、安装荷载、充水试压荷载对比如下：

表1 各节点三种荷载对比

从以上对比可以看出，对于大口径气体管线，充水压力试验荷载是非常大的，在计算管道荷载并向结构专业提出荷载条件时必须加以考虑，避免结构框架因为瞬间巨大的压力被压坏。对于总承包项目，随着精细化设计理念的推广，在条件允许的前提下，可以考虑与施工管理专业提前沟通，对于CO变换装置框架上的管道按照不同的充水试压管系组合，提出不同的安装荷载+试验荷载的组合，供结构专业进行结构设计，在满足设计安全性的前提下兼顾设计经济性，提高工程设计质量和经济效益。

[1]熊同国，刘胜华,煤化工变换装置的设备及管道选材之探讨,化肥设计,2012,2:50(1).

[2]HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规定》.

[3]PM-SP-009《静设备管口允许荷载规定》.