延迟焦化装置（两炉三塔）焦炭塔管道布置与应力分析

吉 源

（中国昆仑工程有限公司葫芦岛分公司，辽宁葫芦岛 125001）

延迟焦化装置是物料在高流速、短停留时间的条件下，在加热炉炉管中被加热到指定生焦温度，再通过管道输送到焦炭塔中完成生焦过程，避免物料在加热炉炉管和转油线内生焦，“延迟”后在焦炭塔内生焦，故名“延迟焦化”。某15万t/a延迟焦化装置，采用“两炉三塔”工艺，以催化油浆为原料生产油系针状焦。“两炉”分别是焦化油炉和干燥气炉，“三塔”是三座相同的焦炭塔。焦化油炉用来加热焦化油，加热完去焦炭塔生焦；干燥气炉用来加热干燥气（柴油组分），在焦炭塔生焦完毕后，向塔里吹入加热后的干燥气，吹出油气组分，保证焦炭的质量指标达到要求。应力分析的主要工艺管线包括：转油线、干燥气线、焦炭塔进料线、焦炭塔油气线、焦炭塔放空线、焦炭塔安全阀线、焦炭塔开工线，甩油线，注蒸汽线，冷焦水线回水线。本文主要针对管线应力分析中需要注意的问题，结合延迟焦化装置自身的特点进行讨论。

1 管道布置

1.1 加热炉出口管道布置

与两台加热炉辐射室出口炉管管口相连的管道应该具有足够的柔性，保证炉管管口受力/力矩满足API560的要求，如图1、表1、表2所示。所以，此管线应该在与炉管连接后，尽量少的沿炉管方向敷设，而是往两侧或上下敷设足够长后再沿炉管方向敷设，图2所示。

图1 炉管受力简图

表1 炉管端部允许承受的力和力矩

表2 炉管端部允许位移

图2 加热炉出口管道布置

1.2 焦炭塔管线布置

1.2.1 焦炭塔油气线和安全阀线

焦炭塔有三座，油气管线和安全阀出口管线的布置尽量两两对称。管线沿塔顶往下敷设时应在适当的位置拐弯增加柔性，因焦炭塔在操作过程中会因热胀而长高，高度增加量取决于焦炭塔筒体材质、长度和操作温度，一般增加量为200～300mm，同时管线也会有相应的位移，此位移量较大，因此管线需要在适当位置安装恒力弹簧支吊架，以确保管线的荷载不会全部作用于与塔相连的设备管口，降低管线的二次应力。各塔的油气管线从塔上下来后，在管线平台上分为两支，各分支汇合后分别去分馏塔和放空塔，在分支前的集合管处也需要布置弹簧支吊架，以补偿管道向上的位移；安全阀线在管线平台上同样布置弹簧支吊架，如图3、图4所示。

图3 焦炭塔油气线和安全阀线布置（上半部）

图4 焦炭塔油气线和安全阀线布置（下半部）

1.2.2 焦炭塔进料线

焦炭塔进料是从加热炉至三通阀（四通阀封闭一路），然后分为两路，一路进四通阀，一路与开工线相连。四通阀有四个管口，一进三出，进料来自三通阀，其余三路分别与焦炭塔下塔口的进料短接（不属于焦炭塔本体，是下塔口与底盖机相连的过度短接）法兰口相连。进料管线在进塔前需要增加胀力弯，防止进料管线二次应力过大。干燥气管线和公用工程分配管都与进料线相连，这些管线尽量分散、多方位布置，在一个方向上敷设的长度不易太长。如图5所示。

图5 焦炭塔进料线、干燥气线、公用工程分配管布置

2 管道应力分析

2.1 模型建立

应力分析采用主流的管道应力分析软件CAESARii 2019 Vr.11.0（以下简称Cii）。由于此管系较大，模型节点较多，手工建模精度不高，可能会存在节点连接不准确，模型校核不通过等问题，建议采用第三方软件建模后，再导入Cii后进行修改，推荐CADWORX建立管系模型。

另外，加热炉炉管的模型应该加入模型中使计算更为准确，但是由于炉管在实际迭代运算中很难收敛，所以可不用加入所有炉管，而是仅仅校核炉管管口的力/力矩和位移，按照API560的位移要求，在管口加上DIS.边界条件，校核管口的力/力矩是否满足要求即可。

2.2 分析数据收集与输入

延迟焦化装置采用间歇操作，本装置为“两炉三塔”，操作主要过程如图6所示。

图6 焦炭塔操作流程

根据在同一时刻三座焦炭塔所处的操作状态，可以对应出各种管线所处的操作工况，但由于每座塔的操作状态很多，所以组合数也很多，不便于计算，也没有必要计算这么多种工况，这里可以做一些合理的假设：假设切焦工况的温度为高低两种温度；假设某个塔的安全阀出现起跳（R）的情况；假设开工时从A塔或C塔开工，不存在用B塔开工的情况；从而可组合出主要的8种操作工况，如表3所示。（R表示安全阀起跳，H表示此过程的最高操作温度，L表示最低操作温度；）

表3 8种操作工况组合

工况组合出来后，便可根据工况来确定管线的操作状态，从而确定管道的温度、压力等参数输入Cii，其余参数根据实际情况一起输入Cii，如图7所示。

图7 Cii温压条件输入表

对于与设备相连的法兰还需校核法兰是否泄漏，Cii有两种方法，Peq当量压力法和NC3658.3，由于Peq方法未考虑螺栓预紧力的影响，所以计算结果比较保守，所以采用NC3658.3即可。

3 结束语

延迟焦化装置需要计算的应力管线较多，工况复杂，前期管道布置要依照经验充分考虑补偿量，否则应力很难通过，而且修改麻烦，费时费力；若前期充分考虑了管道应力要求，则计算的成功率会提高。另外，一般Cii刚开始计算都会存在不收敛的情况，程序按静摩擦假设，算出动摩擦的位移，按动摩擦迭代后，又算出是静摩擦，来回摆动不能收敛，此时可打开配置文件，将摩擦刚度改小一些，默认值是1.75×106N/mm，可以选5次方，对大于4mm热位移不会有很大影响，会较容易收敛。