王宏斌 蘇然云 趙秋鳳

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 四川凱信達(dá)工程設(shè)計(jì)有限公司, 四川 成都 610095

0 前言

石油化工企業(yè)中管道常用伴熱的方法維持生產(chǎn)操作及停輸期間管內(nèi)介質(zhì)的溫度[1]。目前采用的伴熱方式主要有:蒸汽夾套伴熱、蒸汽伴熱管伴熱、熱水伴熱管伴熱、電伴熱。蒸汽夾套伴熱因可選溫度范圍較大、方便獲取、伴熱效果好,使用較為廣泛[2-5]。硫黃回收裝置利用H2S,通過(guò)克勞斯反應(yīng)產(chǎn)生單質(zhì)硫,用來(lái)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硫黃。單質(zhì)硫的黏度和流動(dòng)性對(duì)于介質(zhì)溫度的穩(wěn)定性要求較高,同時(shí)硫黃回收裝置中可產(chǎn)生蒸汽。因此,為了維持介質(zhì)溫度,有效利用能源,降低投資成本,可采用蒸汽夾套伴熱的方式。伴熱運(yùn)行的好壞直接影響介質(zhì)的正常流通,甚至影響裝置的正常運(yùn)行[6-14]。本文借鑒已有項(xiàng)目的運(yùn)行成果,通過(guò)設(shè)計(jì)比對(duì)、技術(shù)優(yōu)化,研究出更加符合工藝及項(xiàng)目需求的夾套管設(shè)計(jì)。

1 夾套管在硫黃回收裝置中的應(yīng)用

1.1 物理特性

單質(zhì)硫的熔點(diǎn)為112.8 ℃。當(dāng)介質(zhì)溫度高于此溫度時(shí),其物態(tài)由固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài);相反,當(dāng)介質(zhì)溫度低于此溫度時(shí),其物態(tài)由液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài),即開(kāi)始結(jié)晶析出。固體硫黃的分子一般為S8,其結(jié)構(gòu)呈馬鞍型,當(dāng)硫黃受熱時(shí),分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。當(dāng)加熱到160 ℃時(shí),S8的環(huán)狀開(kāi)始破裂為開(kāi)鏈,黏度升高;到190 ℃時(shí)黏度最大;繼續(xù)加熱到190 ℃以上時(shí),長(zhǎng)鏈開(kāi)始發(fā)生斷裂,黏度又重新下降。在130～160 ℃時(shí),液硫的黏度最小,流動(dòng)性最好[15-17]。硫在不同溫度下的黏度[18]見(jiàn)圖1。

圖1 150～300 ℃硫的黏度圖Fig.1 150～300 ℃viscosity diagram of sulfur

1.2 硫黃回收裝置伴熱需求

硫黃回收裝置中過(guò)程氣、液硫捕集器出口尾氣、液硫池出口廢氣、液硫封進(jìn)出口液硫中均含有單質(zhì)硫。過(guò)程氣基本都處于200 ℃以上或者長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài),所以正常情況下不會(huì)出現(xiàn)單質(zhì)硫結(jié)晶的現(xiàn)象。但是以上其他介質(zhì)卻有低溫的情況,硫單質(zhì)一旦低于112.8 ℃,則會(huì)有晶體產(chǎn)生,堵塞管道,影響裝置的正常運(yùn)行,甚至造成停產(chǎn),所以對(duì)其進(jìn)行夾套伴熱顯得尤為重要。

根據(jù)硫的物理特性,如要保證介質(zhì)始終處于流體狀態(tài)(避免晶體的產(chǎn)生),同時(shí)具有良好的流動(dòng)性,則須將介質(zhì)溫度控制在150 ℃左右[19]。為了維持這個(gè)溫度,通常采用蒸汽夾套管伴熱,伴熱蒸汽壓力為0.4 MPa。

2 夾套管配套方案選擇及存在問(wèn)題

根據(jù)實(shí)際需要優(yōu)化規(guī)范及工藝夾套管配套方案,設(shè)計(jì)、采購(gòu)時(shí)直接選用剖切型的管件,以降低施工難度,推進(jìn)施工進(jìn)度。目前，SH/T 3040—2012《石油化工管道伴管及夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]中提供了13種夾套管配套方案,雖滿足了工藝需求,但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有些配套方案不合理,同時(shí)影響了施工安裝,甚至影響了正常的運(yùn)行。

現(xiàn)有夾套管配套方案為:1)當(dāng)夾套管內(nèi)管公稱直徑≤200 mm時(shí),內(nèi)管使用長(zhǎng)半徑彎頭,套管使用短半徑彎頭;2)當(dāng)夾套管內(nèi)管公稱直徑>200 mm時(shí),內(nèi)管使用短半徑彎頭,套管使用短半徑彎頭。

內(nèi)管和套管彎頭曲率半徑見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)管和套管彎頭曲率半徑表

在實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)上述部分夾套管配套方案不合理。當(dāng)夾套管內(nèi)管公稱直徑>200 mm時(shí),若內(nèi)管使用短半徑彎頭,彎頭處內(nèi)外管會(huì)發(fā)生不同程度的碰撞現(xiàn)象,影響施工安裝及介質(zhì)的正常流動(dòng),見(jiàn)圖2(圖中L代表長(zhǎng)半徑彎頭，S代表短半徑彎頭)。

配套方案DN200×DN250(L×S)DN250×DN350(S×S)DN300×DN400(S×S)DN350×DN400(S×S)DN350×DN450(S×S)碰撞圖示

施工過(guò)程中因?yàn)槌霈F(xiàn)碰撞現(xiàn)象,導(dǎo)致彎頭不能安裝。須對(duì)彎頭進(jìn)行重新采購(gòu),但由于內(nèi)管彎頭為抗硫材質(zhì),生產(chǎn)及采購(gòu)周期較長(zhǎng),因此耽誤了施工進(jìn)度,從而影響了項(xiàng)目的整體進(jìn)度?，F(xiàn)場(chǎng)夾套彎頭碰撞照片見(jiàn)圖3。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)夾套管內(nèi)外管彎頭碰撞照片F(xiàn)ig.3 Crash of elbow of inner and jacketed pipe on site

3 夾套管設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

3.1 夾套管配套方案改進(jìn)

按照HG/T 20592～20635—2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》[21]中夾套法蘭的規(guī)格型號(hào),包含了DN15/40～DN350/450。而硫黃回收裝置中含硫介質(zhì)在低溫狀況下存在結(jié)晶現(xiàn)象,從而堵塞管道,且管徑越小越容易被堵塞,堵塞后很難處理,故應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況避免使用小口徑夾套。夾套的設(shè)計(jì)及施工都具有較大難度,規(guī)格型號(hào)的多樣化也會(huì)給管道設(shè)計(jì)、材料統(tǒng)計(jì)、物資采購(gòu)等帶來(lái)困難,所以對(duì)規(guī)格型號(hào)進(jìn)行合并可以提升效率,同時(shí)降低產(chǎn)生錯(cuò)誤的概率。

上文已提到的夾套管配套方案碰撞問(wèn)題,是由于內(nèi)外管公稱直徑配套方案不合理、彎頭的曲率半徑選擇不當(dāng)而造成的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)提前做出正確的配套選擇,從而盡量規(guī)避后續(xù)出現(xiàn)的一系列問(wèn)題。

綜合SH/T 3040—2012《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]夾套管配套方案和HG/T 20592～20635—2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》[21]法蘭規(guī)格型號(hào),對(duì)夾套管配套方案進(jìn)行了改進(jìn),見(jiàn)表2。

表2 夾套管配套方案優(yōu)化表

3.2 蒸汽跨接線方案改進(jìn)

硫黃回收裝置中高溫管線的過(guò)程氣和尾氣一般用保溫方式保證熱量不損失,同時(shí)介質(zhì)一直處于流動(dòng)狀態(tài),管線不會(huì)被凍結(jié)及結(jié)晶。而過(guò)程氣、尾氣上的吹掃介質(zhì)和置換介質(zhì),如氮?dú)?、空氣?由于長(zhǎng)期處于非流動(dòng)狀態(tài),則容易在與主工藝管線交接點(diǎn)根部閥位置產(chǎn)生凍結(jié)的可能,所以需要對(duì)根部閥進(jìn)行夾套伴熱。這樣的情況比較多,如果都對(duì)其一對(duì)一的夾套伴熱,那么裝置區(qū)則會(huì)因?yàn)檎羝刖€、跨接線等變成蜘蛛網(wǎng)式的布置,影響操作、美觀,同時(shí)增加了投資成本,見(jiàn)圖4。故對(duì)蒸汽跨接線方案進(jìn)行改進(jìn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中按照區(qū)域劃分,采用就近原則進(jìn)行串聯(lián)伴熱,見(jiàn)圖5。

圖4 獨(dú)立伴熱方案圖Fig.4 Independent tracing program

圖5 串聯(lián)伴熱方案圖Fig.5 Series tracing program

硫黃回收裝置中存在同一根管線同時(shí)采用兩種伴熱方式的情況,管線整體采用蒸汽伴熱管伴熱,管線上的閥門(mén)采用蒸汽夾套伴熱。如一二級(jí)反應(yīng)器之間過(guò)程氣連通線、過(guò)程氣換熱器進(jìn)出口之間連通線,連通線上僅用蒸汽伴熱管伴熱,而蒸汽伴熱管伴熱不及蒸汽夾套伴熱效率高,為了保證連通線上的閥門(mén)能夠正常啟閉,對(duì)閥門(mén)采用蒸汽夾套伴熱。此時(shí),夾套伴熱的蒸汽引入線可利用蒸汽伴熱管就近串聯(lián),同時(shí)利用了蒸汽伴熱管的凝液疏水,不再單獨(dú)增加蒸汽引入及凝液疏水。

4 結(jié)論

1)介質(zhì)伴熱有多種方式,但當(dāng)要求加熱均勻、伴熱效率較高時(shí),采用夾套伴熱具有明顯的優(yōu)勢(shì)。工程項(xiàng)目中夾套管的設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn),涉及面較廣,設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響項(xiàng)目的整體質(zhì)量。夾套管設(shè)計(jì)與裝置整體規(guī)劃、物資采購(gòu)、施工進(jìn)度、裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行等息息相關(guān),設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低關(guān)乎項(xiàng)目全局。

2)通過(guò)對(duì)夾套管配套方案、蒸汽跨接線方案的優(yōu)化,選擇合適的夾套管曲率半徑,采用就近原則進(jìn)行串聯(lián)夾套伴熱,有效解決了項(xiàng)目運(yùn)行中存在的套管彎頭碰撞、跨接線繁雜的問(wèn)題,而且滿足了工藝需求及檢維修要求、提升了設(shè)計(jì)美觀度。改進(jìn)后的夾套管設(shè)計(jì)方案對(duì)提升項(xiàng)目的整體質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益都起到了積極作用。