尿素裝置高壓管線設計簡述

吳 迎，劉三軍，周啟春，李要合，朱圣東

（1.中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223；2.武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430073）

尿素的合成，無論采用什么生產工藝，也不管生產規模的大小如何，都不可避免地要在高溫高壓的條件下進行，因此，在尿素裝置的設計過程中會涉及到大量高壓管線的設計。據高壓管道內介質的性質和工藝操作條件，我們把尿素生產高壓管線分成三種不同類型：尿素溶液和甲銨介質高壓管線、液氨介質高壓管線和一般工藝流體（無腐蝕或低腐蝕）高壓管線。結合興安博源30·52尿素裝置管線布置的實際情況，對這三類高壓管線的設計進行介紹，并對設計過程中的關鍵問題進行討論，以供同行參考。

1 尿素溶液和甲銨介質高壓管線（1 500LB）

尿素裝置高壓系統中介質有尿素溶液、工藝混合氣、甲銨溶液，設計壓力為17.0～19.0 MPa，溫度為115～229℃。據標準規范定義為GC1（3）級別管線，此類管線設計需要4級簽署。

尿素裝置中此類管線主要連接幾臺高壓設備：合成塔、汽提塔、高壓冷凝器、高壓洗滌器、高壓甲銨泵、高壓噴射器。該類管線不僅設計壓力和設計溫度高，并且介質具有腐蝕性或有毒，屬于特殊高壓管線，其材質應選用ASME標準下的尿素級不銹鋼（ASME B3.19MA312－TP316LMod）。尿素級不銹鋼制作較復雜，價格昂貴，一般均為國外采購。興安博源項目給予了該類管線專門的材料等級。

對于此類等級管線，法蘭通常不選用1 500LB（注：LB為ANSI標準單位，1 500LB＝25.0MPa）高壓等級下的對焊法蘭，而是選用高壓螺紋法蘭和環焊接頭為一套組。螺紋法蘭的法蘭盤是A105（相當于國標中的16Mn），環焊接頭材料為尿素級材質，環焊接頭套入螺紋法蘭內成為法蘭套組，這樣，法蘭的成本就可以大幅度降低。如果整片對焊法蘭用尿素級材料，則供貨周期長，成本高昂。這個等級的螺紋法蘭配套標準，以前只有少數幾個工藝商和制造商掌握，如BHDT標準。這個螺紋法蘭的工藝等級大致為325bar，轉換成標準的ASME法蘭，為安全起見取最高的2 500LB（42.0MPa）。項目上可以分開購買法蘭套組（環焊接頭國外采購，螺紋法蘭國內采購），也可以成套購買（全部國外采購），據業主要求或者項目上綜合考慮而定。尿素溶液介質特殊法蘭高壓螺紋法蘭和環焊接頭套組如圖1、圖2所示。

圖1 高壓螺紋法蘭結構示意

圖2 環焊接頭結構示意

此類墊片采用同為尿素級材料的透鏡墊。分為有孔和無孔兩種類型。有孔透鏡墊相當于一般等級設計中的墊片；無孔透鏡墊主要用在管端，用兩個法蘭夾住，相當于一般等級設計中的盲板法蘭，這樣就會多伸出一段螺紋短管。如果使用盲板法蘭＋有孔透鏡墊，兩者效果是一樣的。但是盲板法蘭＋有孔透鏡墊，其密封面尺寸加工有一定難度，尺寸強度較難把握，推薦用兩個螺紋法蘭夾住無孔透鏡墊來實現管道盲端。尿素溶液介質尿素級材料的透鏡墊和盲板法蘭如圖3～5所示。

此類高壓管線上的溫度計連接與低壓管線上的溫度計連接有區別。低壓管線上的溫度計連接，通常由螺紋接管臺（出口為螺紋連接的支管補強焊接管件）與主管連接，然后接100mm短管再接法蘭墊片緊固件、儀表配對法蘭墊片緊固件和溫度計套管。高壓管線上的溫度計連接不可以選擇螺紋接管臺，可以考慮采用特殊件連接，如圖6所示。高壓管線溫度計套管機加工要求為，將螺紋接頭與管子焊好后，再將螺紋接頭底部的管子鉆通、擴孔、除刺。該類管線焊接質量等級為GB／T3323II級，無損檢測比例100%。

圖3 有孔透鏡墊結構示意

圖4 無孔透鏡墊結構示意

圖5 盲板法蘭結構示意

圖6 高壓管線溫度計套管結構示意

2 液氨介質高壓管線（2 500LB）

尿素裝置中液氨介質高壓管線，操作壓力為17.1MPa，操作溫度基本在20℃左右，設計壓力按24.3MPa來考慮，設計溫度范圍－33～93℃；據標準規范定義為GC1（3）級別管線，此類管線設計需要4級簽署。液氨介質高壓管線基本上連接在高壓氨泵、高壓噴射器、氨循環冷卻器之間，設計壓力高但是設計溫度不高，可考慮ASME標準中2 500LB等級的管材。興安博源項目中，管線材料選用ASME B36.10標準中2 500LB等級的A333Gr6；法蘭選用ASME B16.5標準中2 500LB等級的帶頸對焊RJ（環連接面）A350LF2法蘭。該類管線焊接質量等級為GB／T3323Ⅱ級，無損檢測比例100%。

3 一般工藝流體高壓管線（1 500LB）

尿素裝置中一般工藝流體（無腐蝕或低腐蝕）高壓管線，操作壓力為14.7～17.26MPa，操作溫度基本在98～120℃，設計壓力按16.4～19.0 MPa來考慮，設計溫度范圍115～145℃；據標準規范定義為GC1（3）級別管線，此類管線設計需要4級簽署。此類管線為單純高溫高壓管線，介質無腐蝕或者低腐蝕，可以考慮ASME標準中2 500LB等級的碳鋼管材。興安博源項目中，管線材料選用GB5310－2008標準中1 500LB等級的20G；法蘭選用HG／T20615－2009標準中1 500LB等級的帶頸對焊RJ（環連接面）A105法蘭。該類管線焊接質量等級為GB／T3323Ⅱ級。