空分裝置高壓蒸汽管道在設計中的常見問題分析及改進措施

亓 峰，王永鋒

(北京石油化工工程有限公司西安分公司 陜西西安 710075)

近年來，隨著市場對空分產品的需求不斷增加，空分裝置的規模也越來越大。空分裝置中的高壓蒸汽管道具有溫度和壓力高、流速快、危險系數大的特點，是全裝置中至關重要的管線，與裝置的安全運行密切相關。本文以某35 000 m3/h(標態)空分裝置為例，就高壓蒸汽管道的選材、布置、疏水、吹掃等設計方面存在的常見問題進行分析和探討。

1 高壓蒸汽管道流程

空分裝置配置1根來自界區外鍋爐裝置的高壓蒸汽管道，作為裝置的高壓蒸汽主管，為空分裝置運行提供動力。高壓蒸汽管道的流程設計應綜合考慮施工階段的吹掃、空分裝置運行前期的暖管及試運行過程中可能出現的問題，35 000 m3/h(標態)空分裝置高壓蒸汽流程如圖1所示。

2 高壓蒸汽管道設計中須注意的問題及解決措施

2.1 高壓蒸汽管道的選材

35 000 m3/h(標態)空分裝置的高壓蒸汽參數：設計溫度545 ℃，操作溫度530 ℃；設計壓力10.3 MPa，操作壓力9.8 MPa。

目前,滿足上述工況的材質主要有12Cr1MoV和A335P91，這2種材質在上述溫度和壓力條件下均能平穩運行。12Cr1MoV為國產鋼材，執行標準為《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB 5310—2008)。A335P91為美標鋼材，執行規范為《高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管》(ASME SA335M)。A335P91是美國橡樹林國家實驗室和美國燃燒工程公司在9Cr-1Mo耐熱鋼的基礎上開發的鐵素體型耐熱鋼，1984年美國ASTM和ASME分別將其列入A335和SA335標準中[1]。A335P91在高溫工況下的力學性能明顯優于12Cr1MoV，在保證管道通流能力不變的前提下，可選擇壁厚較薄、外徑較小的管道，能在更小的空間達到補償效果[2]。

以35 000 m3/h(標態)空分裝置為例，高壓蒸汽主管道公稱直徑為DN 350 mm，采用12Cr1MoV和A335P91材質的管道壁厚分別為38 mm和22 mm，2種材質的高壓蒸汽主管道的對比見表1。

表1 2種材質的高壓蒸汽主管道的對比

如表1所示，采用A335P91制作高壓蒸汽管道的成本較低，而且A335P91管道總質量相對較輕，可相應減少土建成本。因此，對于整個空分裝置而言，采用A335P91材質制作高壓蒸汽管道更加經濟合理。

2.2 高壓蒸汽管道布置設計中的注意事項

在具體的高壓蒸汽管道布置設計中，須綜合考慮管道的應力、管廊的布置、疏水位置以及與其他工藝管道和橋架的相互影響等，合理規劃并遵循如下原則。

(1)由于高壓蒸汽管道溫度較高，管道宜布置在管廊頂層，與其他管道(尤其是低溫管道)及橋架應保持合理的凈空高度。

(2)高壓蒸汽管道的分支宜從管道頂部接出，如果空間受限，支管也可從主管水平接出，但應避免從管道底部接出。

(3)高壓蒸汽管道上的高壓蒸汽切斷閥宜布置在壓縮機廠房外，其原因是高壓蒸汽切斷閥的填料函一旦出現損壞，大量蒸汽將從此處泄漏，此時將嚴重影響工作人員的操作和巡檢。

2.3 隔熱支架的選用

因碳鋼管道只適用于400 ℃以下的工況，所以在早期的空分裝置中，管道支架采用與管道材質相同的管托或假腿支架。在35 000 m3/h(標態)空分裝置中，高壓蒸汽管道的保溫層厚度為180 mm，如果采用與管道材質相同的支架，支架高度至少為250 mm。按支架高度250 mm考慮，裸露在外的支架高度為70 mm，通過向周圍環境散熱，支架底部溫度已低于400 ℃，可以支撐在鋼結構上，甚至在需要設置固定點的地方，支架可以與鋼結構直接焊接，這樣就解決了支架安全性的問題，但此種支架會造成大量的熱損失。

近年來，隨著節能降耗技術的進步和推廣，新型的隔熱管托逐漸得到了應用。如圖2所示，隔熱管托通過保溫材料實現了管道與外界環境的隔絕，管托外表面的溫度遠低于管道表面溫度，大幅減少了管道的熱損失。在設計過程中，通過隔熱管托與其他類型的支架組合，就可以實現導向、止推、四方限位等功能，完全可滿足設計要求。在35 000 m3/h(標態)空分裝置中，全部選用隔熱管架取代普通支架，總計增加建設成本3萬元，但可減少熱損失，從長遠看來，經濟效益非常可觀。

2.4 管道疏水注意事項

因高壓蒸汽飽和溫度為310 ℃，此操作溫度下為過熱蒸汽，在正常運行情況下只有管道低點有少量冷凝液產生。因此，設計階段只需考慮吹掃時的排污和疏水以及啟動時的疏水，并且因凝結水量較少，就地排放即可。管道疏水在設計中常見的問題說明如下。

(1)切斷閥宜采用閘閥。閘閥的截面與截止閥不同，因吹掃階段管道內雜質較多，現場吹掃時會出現閥門多次堵塞的現象，尤其是截止閥堵塞較嚴重。采用閘閥作為切斷閥時，若吹掃過程中出現堵塞現象，用木棍敲打即可。采用閘閥后閥門開閉次數較少且設計有雙閥，因閥門故障影響空分裝置運行的情況不易發生。

(2)疏水管線溫度較高，末端作為自由端容易出現擺動，故應當設置合理的限位支架以加強支撐。

2.5 高壓蒸汽吹掃的問題

高壓蒸汽與汽輪機連接處可適當增加拆卸法蘭。如圖3所示，吹掃時將拆卸法蘭后端的管道拆下后旋轉180°，末端連接臨時管道即可。為確保安全，臨時管道末端應設置固定支架。

3 結語

高壓蒸汽管道與空分裝置的經濟性、安全性密切相關，針對高壓蒸汽管道設計中的常見問題，采取如下措施達到經濟、合理、安全的目的。

(1)高壓蒸汽管道材質宜選用A335P91，以減少建設成本。

(2)管道布置須綜合考慮管道的應力、疏水位置、與其他工藝管道和橋架的相互影響。

(3)高壓蒸汽管道宜選用隔熱管托，有利于提高經濟效益。

(4)疏水管道宜采用閘閥作為切斷閥，而且管道末端應加強支撐。

(5)高壓蒸汽與汽輪機連接處可適當增加拆卸法蘭以便于吹掃。