空分装置高压蒸汽管道在设计中的常见问题分析及改进措施

亓 峰，王永锋

(北京石油化工工程有限公司西安分公司 陕西西安 710075)

近年来，随着市场对空分产品的需求不断增加，空分装置的规模也越来越大。空分装置中的高压蒸汽管道具有温度和压力高、流速快、危险系数大的特点，是全装置中至关重要的管线，与装置的安全运行密切相关。本文以某35 000 m3/h(标态)空分装置为例，就高压蒸汽管道的选材、布置、疏水、吹扫等设计方面存在的常见问题进行分析和探讨。

1 高压蒸汽管道流程

空分装置配置1根来自界区外锅炉装置的高压蒸汽管道，作为装置的高压蒸汽主管，为空分装置运行提供动力。高压蒸汽管道的流程设计应综合考虑施工阶段的吹扫、空分装置运行前期的暖管及试运行过程中可能出现的问题，35 000 m3/h(标态)空分装置高压蒸汽流程如图1所示。

2 高压蒸汽管道设计中须注意的问题及解决措施

2.1 高压蒸汽管道的选材

35 000 m3/h(标态)空分装置的高压蒸汽参数：设计温度545 ℃，操作温度530 ℃；设计压力10.3 MPa，操作压力9.8 MPa。

目前,满足上述工况的材质主要有12Cr1MoV和A335P91，这2种材质在上述温度和压力条件下均能平稳运行。12Cr1MoV为国产钢材，执行标准为《高压锅炉用无缝钢管》(GB 5310—2008)。A335P91为美标钢材，执行规范为《高温用无缝铁素体合金钢公称管》(ASME SA335M)。A335P91是美国橡树林国家实验室和美国燃烧工程公司在9Cr-1Mo耐热钢的基础上开发的铁素体型耐热钢，1984年美国ASTM和ASME分别将其列入A335和SA335标准中[1]。A335P91在高温工况下的力学性能明显优于12Cr1MoV，在保证管道通流能力不变的前提下，可选择壁厚较薄、外径较小的管道，能在更小的空间达到补偿效果[2]。

以35 000 m3/h(标态)空分装置为例，高压蒸汽主管道公称直径为DN 350 mm，采用12Cr1MoV和A335P91材质的管道壁厚分别为38 mm和22 mm，2种材质的高压蒸汽主管道的对比见表1。

表1 2种材质的高压蒸汽主管道的对比

如表1所示，采用A335P91制作高压蒸汽管道的成本较低，而且A335P91管道总质量相对较轻，可相应减少土建成本。因此，对于整个空分装置而言，采用A335P91材质制作高压蒸汽管道更加经济合理。

2.2 高压蒸汽管道布置设计中的注意事项

在具体的高压蒸汽管道布置设计中，须综合考虑管道的应力、管廊的布置、疏水位置以及与其他工艺管道和桥架的相互影响等，合理规划并遵循如下原则。

(1)由于高压蒸汽管道温度较高，管道宜布置在管廊顶层，与其他管道(尤其是低温管道)及桥架应保持合理的净空高度。

(2)高压蒸汽管道的分支宜从管道顶部接出，如果空间受限，支管也可从主管水平接出，但应避免从管道底部接出。

(3)高压蒸汽管道上的高压蒸汽切断阀宜布置在压缩机厂房外，其原因是高压蒸汽切断阀的填料函一旦出现损坏，大量蒸汽将从此处泄漏，此时将严重影响工作人员的操作和巡检。

2.3 隔热支架的选用

因碳钢管道只适用于400 ℃以下的工况，所以在早期的空分装置中，管道支架采用与管道材质相同的管托或假腿支架。在35 000 m3/h(标态)空分装置中，高压蒸汽管道的保温层厚度为180 mm，如果采用与管道材质相同的支架，支架高度至少为250 mm。按支架高度250 mm考虑，裸露在外的支架高度为70 mm，通过向周围环境散热，支架底部温度已低于400 ℃，可以支撑在钢结构上，甚至在需要设置固定点的地方，支架可以与钢结构直接焊接，这样就解决了支架安全性的问题，但此种支架会造成大量的热损失。

近年来，随着节能降耗技术的进步和推广，新型的隔热管托逐渐得到了应用。如图2所示，隔热管托通过保温材料实现了管道与外界环境的隔绝，管托外表面的温度远低于管道表面温度，大幅减少了管道的热损失。在设计过程中，通过隔热管托与其他类型的支架组合，就可以实现导向、止推、四方限位等功能，完全可满足设计要求。在35 000 m3/h(标态)空分装置中，全部选用隔热管架取代普通支架，总计增加建设成本3万元，但可减少热损失，从长远看来，经济效益非常可观。

2.4 管道疏水注意事项

因高压蒸汽饱和温度为310 ℃，此操作温度下为过热蒸汽，在正常运行情况下只有管道低点有少量冷凝液产生。因此，设计阶段只需考虑吹扫时的排污和疏水以及启动时的疏水，并且因凝结水量较少，就地排放即可。管道疏水在设计中常见的问题说明如下。

(1)切断阀宜采用闸阀。闸阀的截面与截止阀不同，因吹扫阶段管道内杂质较多，现场吹扫时会出现阀门多次堵塞的现象，尤其是截止阀堵塞较严重。采用闸阀作为切断阀时，若吹扫过程中出现堵塞现象，用木棍敲打即可。采用闸阀后阀门开闭次数较少且设计有双阀，因阀门故障影响空分装置运行的情况不易发生。

(2)疏水管线温度较高，末端作为自由端容易出现摆动，故应当设置合理的限位支架以加强支撑。

2.5 高压蒸汽吹扫的问题

高压蒸汽与汽轮机连接处可适当增加拆卸法兰。如图3所示，吹扫时将拆卸法兰后端的管道拆下后旋转180°，末端连接临时管道即可。为确保安全，临时管道末端应设置固定支架。

3 结语

高压蒸汽管道与空分装置的经济性、安全性密切相关，针对高压蒸汽管道设计中的常见问题，采取如下措施达到经济、合理、安全的目的。

(1)高压蒸汽管道材质宜选用A335P91，以减少建设成本。

(2)管道布置须综合考虑管道的应力、疏水位置、与其他工艺管道和桥架的相互影响。

(3)高压蒸汽管道宜选用隔热管托，有利于提高经济效益。

(4)疏水管道宜采用闸阀作为切断阀，而且管道末端应加强支撑。

(5)高压蒸汽与汽轮机连接处可适当增加拆卸法兰以便于吹扫。