波纹管膨胀节在芳烃联合装置中的应用

刘幸平，姜忠楠

（中石油华东设计院有限公司北京分院，北京 100029）

芳烃联合装置是石油化工企业的核心装置之一，通常由预加氢、催化重整、芳烃抽提、二甲苯分离、歧化及烷基转移、吸附分离和二甲苯异构化等单元组成。该装置中的高温管道对自身柔性有很高要求，以保障管道安全运行和相连设备管口不受损坏。当改变管道走向受空间或工艺要求限制时，可考虑采用波纹管膨胀节增加管道柔性[1]。

波纹管膨胀节是由波纹管和结构件组成，用来吸收由于热胀冷缩等原因引起的管道和设备尺寸变化的装置。按照自身能否承受压力推力将波纹管膨胀节分为约束型膨胀节和非约束型膨胀节，其中约束型膨胀节能够承受压力推力，主要包括单式铰链型、单式万向铰链型、复式铰链型、复式万向铰链型、复式拉杆型和压力平衡型等；而非约束型膨胀节不能承受压力推力，主要包括外压轴向型、单式轴向型等[2]。

管道系统柔性设计时，膨胀节的选型与管道系统的安全稳定运行息息相关。膨胀节的不当选型，不仅使管道系统造价偏高，更有可能导致膨胀节难以吸收管道热位移，给管道系统安全运行带来隐患，下面以芳烃联合装置中四个管道系统为例介绍波纹管膨胀节的选型设计。

1 连续重整单元催化剂再生烟气管道

1.1 工艺流程说明

待生催化剂进入再生器后，附着于催化剂表面的积碳燃烧，产生的高温将会增加催化剂永久性损害的风险，为此需要设置再生烟气循环回路。催化剂再生烧焦产生的烟气从再生器顶部流出，依次经过再生风机、再生空冷器和再生电加热器，最终返回再生器。其中再生空冷器将烧焦产生的热量带走，再生电加热器在装置开车或管线内的热损失大于燃烧热时将气体加热到适宜的温度。重整催化剂再生烟气管道参数见表1。

表1 管道设计参数Table 1 Pipe design parameters

1.2 管道应力分析与膨胀节设计

由于烟气管道管径较大，通过改变管道走向增大柔性受空间限制，同时再生风机和再生空冷器等设备管口允许受力要求苛刻，因此该管道系统通过设置波纹管膨胀节增加柔性。采用CAESAR Ⅱ软件详细分析，分析过程中综合考虑以下因素：

（1）管道系统中相关设备需要准确模拟：再生器裙座温度需要考虑，再生风机管口热位移需要厂家提供准确值。

（2）再生空冷器和再生电加热器各采用两个弹簧悬挂，需要制造商提供重心位置，以便准确选择弹簧吊架。

（3）由于再生风机等设备管口允许受力较小，选用弹簧支吊架时需要考虑管托或管夹的重量。

（4）针对支撑搁置型弹簧，需要考虑管托底板和弹簧荷重板之间的摩擦力。

（5）应根据各设备位置合理规划管道走向，尽可能增加成组单式万向铰链型膨胀节之间的直管长度，以减小膨胀节变形量，必要时可以选用小半径弯 头。

反复调整膨胀节数量和型式及弹簧支吊架位置和工作载荷，最终确定管道设计方案，如图1 所示。图中EXP-03，EXP-04 和EXP-07 为单式铰链型膨胀节，其他均为单式万向铰链型膨胀节。

图1 重整催化剂再生烟气管道膨胀节布置方案Fig.1 CCR catalyst regeneration flue gas pipeline layout schems with bellow expansion joint

膨胀节选用单层波纹管，波纹管只能有纵向焊缝，不得有环向焊缝。膨胀节需要设置导流筒，无论膨胀节处于何种工况，导流筒和端管之间的间隙不能限制两者相对位移，导流筒长度必须大于波纹管长度且与端管重叠不小于25 mm。与波纹管接触的再生烟气中含有Cl-，综合考虑管道温度和介质腐蚀性等因素，确定波纹管材质采用Incoloy 800，波纹管设计寿命不低于3 000 次。

2 连续重整单元催化剂输送管道

2.1 工艺流程说明

经过再生器再生的催化剂流入L 型阀组后，由来自再生催化剂提升风机的氮气提升至再生催化剂分离料斗，而后经除尘风机而来的氮气淘洗粉尘，在重力作用下流入闭锁料斗分离罐。打开闭锁料斗放空，使闭锁料斗压力降低至与闭锁料斗分离罐平衡，此时催化剂靠重力流入闭锁料斗。经过同样的压力平衡过程，催化剂继续靠重力向下流入闭锁料斗缓冲罐，然后经L 型阀组提升至重整反应器顶部还原段。催化剂输送管道布置如图2 所示，管道参数见表1。

图2 重整催化剂输送管道膨胀节布置方案Fig.2 CCR catalyst transport pipeline layout schems with expansion joint

2.2 管道应力分析与膨胀节设计

EXP-10 轴向压缩量为225 mm，选用外压轴向型膨胀节。紧靠EXP-10 下方设置固定支架。再生催化剂分离料斗和闭锁料斗固定于钢结构，闭锁料斗分离罐采用弹簧支撑并设置导向支架。EXP-11 轴向压缩量为23 mm，选用单式轴向型膨胀节，为防止波纹管失稳变形，在C-D 管段设置导向支架。由于EXP-10 和EXP-11 无法承受管道内压产生的压力推力，在设计EXP-10 下方的固定支架、再生器下管口、再生催化剂分离料斗下管口和闭锁料斗分离罐上管口时需要考虑波纹管膨胀节压力推力的影响。

EXP-10 和EXP-11 膨胀节竖直安装，催化剂向下流动。为减少重整贵金属催化剂磨损，膨胀节端管和导流筒内径与膨胀节上游管道一致；所有与催化剂接触的焊缝打磨光滑，与管道内部平滑连接；膨胀节采用锥孔法兰与上游管道连接。为避免催化剂进入波纹管中，膨胀节导流筒下端必须低于波纹管下端75 mm，导流筒和下端管之间的环形间隙既要保证管道升温后两者能够相对位移，又要尽可能小。波纹管采用Incoloy 800 材质，设计寿命不低于500 次。

3 吸附分离单元吸附塔循环泵进出口管道

3.1 工艺流程说明

吸附分离单元采用旋转阀、循环泵和两个吸附塔组成的模拟移动床系统。每个吸附塔有12 个床层，利用循环泵将两个吸附塔首尾相连，使两个吸附塔形成环形吸附室。吸附塔中吸附剂静止，旋转阀周期性改变物料在吸附塔中的进出口位置，各股物料之间相对位置保持不变，相当于吸附剂向相反方向移动，这样就形成了模拟移动床。吸附塔循环泵进出口管道参数见表1。

3.2 管道应力分析与膨胀节设计

吸附塔循环泵采用两开一备方案，由于工艺专利商对管道布置有严格要求[3]，经过分析采用复式万向铰链型膨胀节增大管道柔性，降低泵管口受力，如图3 和图4 所示。吸附塔底引出管水平位移比较大，和设备专业协商增大塔底引出管与塔裙座通道管之间的环形间隙。复式万向铰链型膨胀节可以吸收多个平面横向位移和单个平面的角位移[4]，经过分析对比发现，复式万向铰链型膨胀节的铰链板南北方向布置时泵管口受力比东西方向布置好。

为了避免物料切换时膨胀节内残留液体影响产品纯度，膨胀节导流筒需要设置排液孔。由于泵管口受力苛刻，在得到膨胀节准确重量后才能确定弹簧支吊架的工作载荷。复式万向铰链型膨胀节的中间管由中间铰链板支撑，避免中间管重量作用于下部波纹管。波纹管采用Incoloy 800 材质，疲劳寿命不低于3 000 次。

4 吸附分离单元抽余液塔底重沸炉泵进口管道

由于抽余液塔釜物料量较大，塔底泵采用两开一备将物料输送至抽余液塔重沸炉，为了减小管道压降，泵进口管道采用复式万向铰链型膨胀节，管道布置如图5 所示，管道参数见表1。管道柔性设计方案与吸附塔循环泵类似，不再赘述。

图3 吸附塔循环泵进口管道膨胀节布置方案Fig.3 Adsorption column recycle pump inlet pipeline layout schems with expansion joint

图4 吸附塔循环泵出口管道膨胀节布置方案Fig.4 Adsorption column recycle pump outlet pipeline layout schems with expansion joint

图5 抽余液塔底重沸炉泵进口管道膨胀节布置方案Fig.5 Raffinate column bottom pump inlet pipeline layout schems with expansion joint

5 结束语

当管道系统需要采用波纹管膨胀节增加柔性时，首先应当符合工艺专利商要求，然后根据管道布置方案选择合适的膨胀节型式，在选择波纹管材质时需要综合考虑温度、外部环境和介质腐蚀性等因素。本芳烃联合装置中波纹管膨胀节的应用增加了高温管道的柔性，解决了设备管口受力过大的问题。管道及设备安全平稳运行的实践证明了相关设计是成功的，对类似装置的设计具有一定的参考与借鉴意义。