劉幸平，姜忠楠

（中石油華東設計院有限公司北京分院，北京 100029）

芳烴聯(lián)合裝置是石油化工企業(yè)的核心裝置之一，通常由預加氫、催化重整、芳烴抽提、二甲苯分離、歧化及烷基轉移、吸附分離和二甲苯異構化等單元組成。該裝置中的高溫管道對自身柔性有很高要求，以保障管道安全運行和相連設備管口不受損壞。當改變管道走向受空間或工藝要求限制時，可考慮采用波紋管膨脹節(jié)增加管道柔性[1]。

波紋管膨脹節(jié)是由波紋管和結構件組成，用來吸收由于熱脹冷縮等原因引起的管道和設備尺寸變化的裝置。按照自身能否承受壓力推力將波紋管膨脹節(jié)分為約束型膨脹節(jié)和非約束型膨脹節(jié)，其中約束型膨脹節(jié)能夠承受壓力推力，主要包括單式鉸鏈型、單式萬向鉸鏈型、復式鉸鏈型、復式萬向鉸鏈型、復式拉桿型和壓力平衡型等；而非約束型膨脹節(jié)不能承受壓力推力，主要包括外壓軸向型、單式軸向型等[2]。

管道系統(tǒng)柔性設計時，膨脹節(jié)的選型與管道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行息息相關。膨脹節(jié)的不當選型，不僅使管道系統(tǒng)造價偏高，更有可能導致膨脹節(jié)難以吸收管道熱位移，給管道系統(tǒng)安全運行帶來隱患，下面以芳烴聯(lián)合裝置中四個管道系統(tǒng)為例介紹波紋管膨脹節(jié)的選型設計。

1 連續(xù)重整單元催化劑再生煙氣管道

1.1 工藝流程說明

待生催化劑進入再生器后，附著于催化劑表面的積碳燃燒，產生的高溫將會增加催化劑永久性損害的風險，為此需要設置再生煙氣循環(huán)回路。催化劑再生燒焦產生的煙氣從再生器頂部流出，依次經過再生風機、再生空冷器和再生電加熱器，最終返回再生器。其中再生空冷器將燒焦產生的熱量帶走，再生電加熱器在裝置開車或管線內的熱損失大于燃燒熱時將氣體加熱到適宜的溫度。重整催化劑再生煙氣管道參數(shù)見表1。

表1 管道設計參數(shù)Table 1 Pipe design parameters

1.2 管道應力分析與膨脹節(jié)設計

由于煙氣管道管徑較大，通過改變管道走向增大柔性受空間限制，同時再生風機和再生空冷器等設備管口允許受力要求苛刻，因此該管道系統(tǒng)通過設置波紋管膨脹節(jié)增加柔性。采用CAESAR Ⅱ軟件詳細分析，分析過程中綜合考慮以下因素：

（1）管道系統(tǒng)中相關設備需要準確模擬：再生器裙座溫度需要考慮，再生風機管口熱位移需要廠家提供準確值。

（2）再生空冷器和再生電加熱器各采用兩個彈簧懸掛，需要制造商提供重心位置，以便準確選擇彈簧吊架。

（3）由于再生風機等設備管口允許受力較小，選用彈簧支吊架時需要考慮管托或管夾的重量。

（4）針對支撐擱置型彈簧，需要考慮管托底板和彈簧荷重板之間的摩擦力。

（5）應根據(jù)各設備位置合理規(guī)劃管道走向，盡可能增加成組單式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)之間的直管長度，以減小膨脹節(jié)變形量，必要時可以選用小半徑彎 頭。

反復調整膨脹節(jié)數(shù)量和型式及彈簧支吊架位置和工作載荷，最終確定管道設計方案，如圖1 所示。圖中EXP-03，EXP-04 和EXP-07 為單式鉸鏈型膨脹節(jié)，其他均為單式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)。

圖1 重整催化劑再生煙氣管道膨脹節(jié)布置方案Fig.1 CCR catalyst regeneration flue gas pipeline layout schems with bellow expansion joint

膨脹節(jié)選用單層波紋管，波紋管只能有縱向焊縫，不得有環(huán)向焊縫。膨脹節(jié)需要設置導流筒，無論膨脹節(jié)處于何種工況，導流筒和端管之間的間隙不能限制兩者相對位移，導流筒長度必須大于波紋管長度且與端管重疊不小于25 mm。與波紋管接觸的再生煙氣中含有Cl-，綜合考慮管道溫度和介質腐蝕性等因素，確定波紋管材質采用Incoloy 800，波紋管設計壽命不低于3 000 次。

2 連續(xù)重整單元催化劑輸送管道

2.1 工藝流程說明

經過再生器再生的催化劑流入L 型閥組后，由來自再生催化劑提升風機的氮氣提升至再生催化劑分離料斗，而后經除塵風機而來的氮氣淘洗粉塵，在重力作用下流入閉鎖料斗分離罐。打開閉鎖料斗放空，使閉鎖料斗壓力降低至與閉鎖料斗分離罐平衡，此時催化劑靠重力流入閉鎖料斗。經過同樣的壓力平衡過程，催化劑繼續(xù)靠重力向下流入閉鎖料斗緩沖罐，然后經L 型閥組提升至重整反應器頂部還原段。催化劑輸送管道布置如圖2 所示，管道參數(shù)見表1。

圖2 重整催化劑輸送管道膨脹節(jié)布置方案Fig.2 CCR catalyst transport pipeline layout schems with expansion joint

2.2 管道應力分析與膨脹節(jié)設計

EXP-10 軸向壓縮量為225 mm，選用外壓軸向型膨脹節(jié)。緊靠EXP-10 下方設置固定支架。再生催化劑分離料斗和閉鎖料斗固定于鋼結構，閉鎖料斗分離罐采用彈簧支撐并設置導向支架。EXP-11 軸向壓縮量為23 mm，選用單式軸向型膨脹節(jié)，為防止波紋管失穩(wěn)變形，在C-D 管段設置導向支架。由于EXP-10 和EXP-11 無法承受管道內壓產生的壓力推力，在設計EXP-10 下方的固定支架、再生器下管口、再生催化劑分離料斗下管口和閉鎖料斗分離罐上管口時需要考慮波紋管膨脹節(jié)壓力推力的影響。

EXP-10 和EXP-11 膨脹節(jié)豎直安裝，催化劑向下流動。為減少重整貴金屬催化劑磨損，膨脹節(jié)端管和導流筒內徑與膨脹節(jié)上游管道一致；所有與催化劑接觸的焊縫打磨光滑，與管道內部平滑連接；膨脹節(jié)采用錐孔法蘭與上游管道連接。為避免催化劑進入波紋管中，膨脹節(jié)導流筒下端必須低于波紋管下端75 mm，導流筒和下端管之間的環(huán)形間隙既要保證管道升溫后兩者能夠相對位移，又要盡可能小。波紋管采用Incoloy 800 材質，設計壽命不低于500 次。

3 吸附分離單元吸附塔循環(huán)泵進出口管道

3.1 工藝流程說明

吸附分離單元采用旋轉閥、循環(huán)泵和兩個吸附塔組成的模擬移動床系統(tǒng)。每個吸附塔有12 個床層，利用循環(huán)泵將兩個吸附塔首尾相連，使兩個吸附塔形成環(huán)形吸附室。吸附塔中吸附劑靜止，旋轉閥周期性改變物料在吸附塔中的進出口位置，各股物料之間相對位置保持不變，相當于吸附劑向相反方向移動，這樣就形成了模擬移動床。吸附塔循環(huán)泵進出口管道參數(shù)見表1。

3.2 管道應力分析與膨脹節(jié)設計

吸附塔循環(huán)泵采用兩開一備方案，由于工藝專利商對管道布置有嚴格要求[3]，經過分析采用復式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)增大管道柔性，降低泵管口受力，如圖3 和圖4 所示。吸附塔底引出管水平位移比較大，和設備專業(yè)協(xié)商增大塔底引出管與塔裙座通道管之間的環(huán)形間隙。復式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)可以吸收多個平面橫向位移和單個平面的角位移[4]，經過分析對比發(fā)現(xiàn)，復式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)的鉸鏈板南北方向布置時泵管口受力比東西方向布置好。

為了避免物料切換時膨脹節(jié)內殘留液體影響產品純度，膨脹節(jié)導流筒需要設置排液孔。由于泵管口受力苛刻，在得到膨脹節(jié)準確重量后才能確定彈簧支吊架的工作載荷。復式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)的中間管由中間鉸鏈板支撐，避免中間管重量作用于下部波紋管。波紋管采用Incoloy 800 材質，疲勞壽命不低于3 000 次。

4 吸附分離單元抽余液塔底重沸爐泵進口管道

由于抽余液塔釜物料量較大，塔底泵采用兩開一備將物料輸送至抽余液塔重沸爐，為了減小管道壓降，泵進口管道采用復式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，管道布置如圖5 所示，管道參數(shù)見表1。管道柔性設計方案與吸附塔循環(huán)泵類似，不再贅述。

圖3 吸附塔循環(huán)泵進口管道膨脹節(jié)布置方案Fig.3 Adsorption column recycle pump inlet pipeline layout schems with expansion joint

圖4 吸附塔循環(huán)泵出口管道膨脹節(jié)布置方案Fig.4 Adsorption column recycle pump outlet pipeline layout schems with expansion joint

圖5 抽余液塔底重沸爐泵進口管道膨脹節(jié)布置方案Fig.5 Raffinate column bottom pump inlet pipeline layout schems with expansion joint

5 結束語

當管道系統(tǒng)需要采用波紋管膨脹節(jié)增加柔性時，首先應當符合工藝專利商要求，然后根據(jù)管道布置方案選擇合適的膨脹節(jié)型式，在選擇波紋管材質時需要綜合考慮溫度、外部環(huán)境和介質腐蝕性等因素。本芳烴聯(lián)合裝置中波紋管膨脹節(jié)的應用增加了高溫管道的柔性，解決了設備管口受力過大的問題。管道及設備安全平穩(wěn)運行的實踐證明了相關設計是成功的，對類似裝置的設計具有一定的參考與借鑒意義。