PX装置抽余液塔大管径管道设计浅析

齐卫刚,卢亚舟

(1.中石化广州(洛阳)工程有限公司,广东 广州 510630;2.中国科学院地球物理化学研究所 有机地球化学国家重点实验室,广东 广州 510630)

在炼油、化工行业中,塔器用于蒸馏、吸收和解吸等物理分离过程。塔器需要与回流罐、重沸器及冷却器等多种设备紧密相连,使得塔体管道复杂[1],将针对某150万t/a芳烃联合装置中的抽余液塔区管道的布置和优化过程进行简要分析。

1 装置概况

1.1 工艺流程简介

图1所示为抽余液塔系统工艺流程简图:抽余液经过进料换热器换热到泡点温度进入抽余液塔,塔顶气相一部分进入抽余液塔顶空冷器,一部分进入热媒水换热器,经过换热后进入抽余液塔回流罐。塔底解吸剂在重沸器和辅助重沸器的加热作用下气化返塔,解吸剂釜液经泵增压后,进入吸附塔。

图1 抽余液塔系统工艺流程简图

1.2 平面布置

塔与其关联设备如进料加热器、非明火加热的重沸器、塔顶冷凝冷却器、回流罐、塔底抽出泵等,宜按工艺流程顺序(图1),在不违反“防火规范”的条件下,尽可能靠近布置。抽余液塔区平面布置图如图2所示。

图2 抽余液塔区平面布置图

两个重沸器构架关于抽余液塔对称布置,整齐而美观。同时考虑到将塔的运输路线和装备塔内构件(塔盘等)进出的空间,将塔器和立罐布置于紧挨道路的一侧,方便运输、操作和检修。抽余液塔分馏构架布置于管桥西侧,抽余液塔塔顶空冷器对称地布置于伸缩缝两侧。整个分区呈正方形,设备布置紧凑有序,充分利用了空间。

1.3 相关设计参数

抽余液塔的直径达到10 700 mm,切线高64 900 mm,采用91层高效多溢流(MD)塔板,其管道工艺数据如表1所示。

表1 抽余液塔管道工艺数据表

通过上述描述和相关设计参数可知,抽余液塔区管道具有管径大,管道分支多,管道自身荷载大,设计温度高等特点。针对以上问题,本文将以抽余液塔塔顶气相线和重沸器返回线为例,对大管径管道的设计和应力分析进行详细分析。

2 塔顶气相管道设计

根据要求,塔顶至冷换设备间的管道应布置成“步步低”,不得出现“液袋”。塔顶气相管道至多台并联的冷换设备时,应对称布置,避免偏流。塔顶气相管道布置如图3所示。

图3 抽余液塔顶气相管道模型

2.1 附塔部分管道设计

附塔管道在塔上的垂直管段长度为52 m,水压试验荷载重151 300 kg,操作荷载重49 000 kg,远超出普通支架所涵盖的支架允许荷载的范围,管道需要在地面做水压试验,最后一道焊缝做100%射线探伤。塔顶管道的第一个承重支架,在保证不影响设备焊缝的前提下,应设在距塔体上封头焊缝以下最近的部位。承重支架后需加导向支架,设置原则按一个承重一个导向的原则,一般按:承重-导向-弹簧-导向-弹簧-导向的原则设置支架。如图4所示,节点A处设置承重支架,下面设置导向支架,节点D处设置弹簧吊架,后面两个节点处设置导向支架。

图4 塔温度梯度及附塔管道应力分析图

弹簧支架操作荷载的分配一般按以下经验原则:(L表示垂直段长度)

(1)当30 m≤L≤50 m,一般设置一个弹簧支架,第一个承重支架分担总荷载的70%,弹簧分担总荷载的30%。

(2)当L>50m,一般设置两个弹簧支架,第一个承重支架分担总荷载的50%,后两个弹簧分别分担总荷载的25%。

抽余液塔气相管道附塔长度为52 m,考虑设置一个弹簧支架,弹簧荷载取管道30%操作重,为16 000 kg。同时由于管道直径较大,其承重支耳和管托重量较大,选用弹簧时一定要考虑到管道支架或支耳本身的重量,这样选出的弹簧特殊支架才接近实际的受力情况。弹簧的位移可以利用塔的热胀量-管道的热胀量求得,热胀量的计算公式如下[3]:

△t=L·at△T=L·et

(1)

式中:△t——管系的热胀量,mm;

△T——管系的温升,℃;

L——管系的长度,m;

at——线膨胀系数,由20 ℃至t℃的每温升1 ℃的平均线膨胀量,mm/(m·℃);

et——单位线膨胀量,由20 ℃至t℃的每米热膨胀量,mm/m。

根据塔上相应高度管道的温度值模拟出塔的温度梯度,并设计管线上支架的设置位置见图4,设备及管道上两节点间的热胀量的计算见表2～3。线胀系数是根据相应节点间的操作温度值,用插值法算出。

表2 设备相应节点间的位移

表3 管道相应节点间的位移

D点弹簧位移:Δ=Δ1+Δ2+Δ3-Δ4=6.52 mm,位移向上。

在设置导向支架时,考虑到垂直管段需要吸收水平段管道的位移,最后一个导向支架距水平管道宜不少于H/3(H表示管道跨距)。但是因为Z向水平段管道太长,H/3长的垂直管段并不能吸收水平段位移,所以要求导向支架既允许管道垂直移动,又要允许管道水平移动,因此只在X轴方向设置导向支架。

2.2 分馏构架部分管道设计

图5为气相管道分馏构架部分的应力分析图,由于抽余液塔在热态情况下,整体向上热胀,带动管道整体向上移动,此时生根在管桥和构架上的1～3节点脱空,应该考虑设置弹簧支架,保证热态情况下对管道起到支撑作用。由于7～11点都是刚性支撑,在热态的情况下,管道向上热胀,这样节点4～6在抽余液塔的提拉之力和下方管道的热胀之力下全部脱空,4个DN1500的蝶阀的重量全部落在三通的位置,使得三通位置处应力超标,通过在节点4～6设置弹簧支架是一种解决方法,但是这样带来了两个问题:

图5 塔顶气相管线应力分析图

(1)虽然弹簧支吊架的使用可以达到增加管道柔性的目的,可以明显降低管道的应力,但是在水平方向上易受到介质冲击或风载荷而引起摆动[2]。

(2)节点4和5的位移不同,分别为5.5 mm和2.7 mm。由于热态下位移不同使得弹簧附近的法兰在扭矩的作用下,可能出现泄露风险,其操作工况下4个蝶阀的法兰校核结果如表4所示:

表4 法兰校核结果

通过以上的分析,目前的管道规划虽然可以满足应力要求,但是整个管系的稳定性不足,且4个DN1500蝶阀附近法兰校核不合格,存在泄露风险,需要在蝶阀附近设置刚性支架,减少法兰泄露风险及增强管系稳定性。因此可以通过向+Z方向拉一段距离,使得节点10～12能够在热态下在构架顶端坐住,以增加整个管系的刚性和稳定性。优化后的管道如图6所示,通过+Z方向走的直管段,使得节点10～12处可以直接采用刚性支架生根于构架,减少了法兰泄露的风险。

图6 塔顶气相管道优化应力分析图

由于进入热媒水换热器的总管长达35 m,管道在X方向的热胀量较大,使得两端换热器管嘴力和力矩过大,因此在XZ平面内增加一个“π”形补偿器,以吸收X轴和Z轴的管道热胀量。在靠近换热器入口管嘴处节点19设置弹簧支架,一方面分担管嘴承重,另一方面通过弹簧吸收换热器管嘴热位移而产生的形变,减少管嘴处产生的作用力和力矩,更好地保护管嘴。

法兰泄露校核:

由于管道热胀或冷缩对其所连接的设备可能产生较大的作用力和力矩。对于管道设计而言,应防止这些力和力矩引起法兰泄漏,设备变形和局部应力的增大,因此还要对设备管嘴承受的载荷进行校核和对法兰泄漏进行校核[4-6]。为了校核法兰是否泄漏,可以将法兰所承受的外力和力矩按照下列公式折合为计算压力(P)[3]:

P=16M×1 000(πD3)+4F/(πD2)

(2)

式中:P——压力,MPa;

M——法兰承受的弯曲力矩,N·m;

Mx——法兰在某一方向承受的弯曲力矩,N·m;

My——法兰与上述方向的垂直方向和所承受的弯曲力矩,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;mm。

法兰的计算压力为:

P计算=P设计+P

(3)

将计算压力与材料的温压曲线进行对比,就可以判断法兰是否有泄漏风险,一般的P计算/P温-压<1则说明法兰没有泄漏风险。如表5所示,通过改变管道走向使得法兰的校核比率皆小于1,说明法兰没有泄漏的危险。

表5 法兰校核结果对比

3 塔底重沸器管道设计

3.1 裙座高度的确定

在实际工程中,塔器通常是用裙座固定在地面基础上的,当塔底出口管与泵相连接时,塔的裙座高度应大于泵的必需汽蚀余量的要求,其确定方法如图7所示。

图7 塔的裙座高度

裙座高度:

H=h1+h2+h3+h4

(4)

式中:h1——管桥侧梁标高;

h2——塔底管道弯头高度;

h3——预留给设备专业焊接用的直管段,通常取300～400 mm;

h4——塔底封头高度,规划初期可按长半径椭圆封头考虑。

经过规划,塔底抽出线走第二层侧梁(EL+7 500 mm),经过以上公式计算,抽余液塔的裙座高度H确定为EL+11 500 mm,高于工艺要求的最低裙座高度EL+11 000 mm。再根据塔底重沸器的热虹吸高度要求就可以确定重沸器的支撑高度,进一步确定重沸器构架的层高。

3.2 立式重沸器管道设计

根据工艺要求,重沸器进出口管道在满足柔性的条件下,应使管道尽量短,弯头数量少,以减少压降,塔底的重沸器的管道走向及应力分析如图8所示。

图8 重沸器管道应力分析图

在热态情况下,塔器和立式重沸器都向上运动,使得生根于构架的节点①脱空,需要弹簧支架,同时由于管径太大,要在节点①处设低摩擦滑动支架,减小管道热胀的阻力,方便管道在X轴向自由热胀,减小摩擦力对管嘴的影响。而节点②在塔和重沸器固定点以下,所以其位移方向是向下,需要设置位移向下的弹簧,在起到支撑作用的同时也不阻碍其在-Y方向的移动。同时由于塔的固定点低于立式重沸器的固定点(塔的裙座为EL+11 500,立式重沸器生根于EL+12 500平台),塔的热胀量大于重沸器的热胀量,因此立式重沸器需要采用位移向上的弹簧支撑。

3.3 辅助重沸器管道设计

辅助重沸器是卧式重沸器,有两个返回口,且介质为气液两相流流体,为尽可能减少偏流,使工艺介质均匀地返回抽余液塔,在设计返回管道时一定要对称布置。重沸器返回口管道走向及应力分析如图9所示,结合图9对返回口管道的设计进行分析:

图9 辅助重沸器管道应力分析图

由于卧式重沸器离抽余液塔距离比较远,X轴向的管道较长,而立管无法吸收这一部分管道的热胀量,使得重沸器和塔的返回口受力超标,因此考虑在XZ平面内布置“π”型补偿器来增加管道柔性,吸收X轴的热胀量。在热态情况下,抽余液塔的重沸器返回口向上移动,导致节点①和节点②脱空,需要在此设置位移向上的弹簧支撑。

为了增加管道的稳定性,管道从重沸器返回口出来后,需要向-X方向走一段距离,使得节点③能够直接采用刚性支撑在构架上坐住,以此来增加管道的刚性。由于与重沸器返回口相连的垂直段管道长度较大,整个垂直管道的重量都作用在重沸器返回口上,导致其管嘴Y向受力过大,因此考虑在垂直管道节点④处设置弹簧支撑,来分担管嘴的受力。

通过以上布置发现卧式辅助重沸器整体管道较长,弯头较多,可能会造成管系压降较大,使得汽化后的气液两相返塔困难,应及时反馈给工艺专业,让其校核压力降。经过工艺专业的校核,辅助重沸器的压力降符合工艺要求。

4 结语

简要介绍了某150万t/a芳烃联合装置中的抽余液塔区的平面布置、管道布置及支架设置,并对其设计依据和理念进行分析和探讨。得出以下结论:抽余液塔作为整个全厂最大的设备,与其关联的管道普遍都具有管径大,跨距长,荷载大,分支多,设备管嘴受力大等特点,其平稳运转对整个装置的生产运行有着重要作用。对于管道专业来说,在满足工艺条件的要求下,通过合理的平面布置,管道柔性设计以及支架的设置,可以有效地增加管道稳定性,降低管道对设备管嘴的作用力和力矩,增加满足其受力要求,确保抽余液塔长周期安全运行。芳烃联合装置采用UOP工艺包,其抽余液的设计符合一般大型炼油化工厂PX装置处理量大,管道直径大等典型特征,其管道设计具有一定的代表性和参考价值。