夾套管的應用及改進

王宏斌 蘇然云 趙秋鳳

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 四川凱信達工程設計有限公司, 四川 成都 610095

0 前言

石油化工企業中管道常用伴熱的方法維持生產操作及停輸期間管內介質的溫度[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,通過克勞斯反應產生單質硫,用來生產優質硫黃。單質硫的黏度和流動性對于介質溫度的穩定性要求較高,同時硫黃回收裝置中可產生蒸汽。因此,為了維持介質溫度,有效利用能源,降低投資成本,可采用蒸汽夾套伴熱的方式。伴熱運行的好壞直接影響介質的正常流通,甚至影響裝置的正常運行[6-14]。本文借鑒已有項目的運行成果,通過設計比對、技術優化,研究出更加符合工藝及項目需求的夾套管設計。

1 夾套管在硫黃回收裝置中的應用

1.1 物理特性

單質硫的熔點為112.8 ℃。當介質溫度高于此溫度時,其物態由固態逐漸轉變為液態;相反,當介質溫度低于此溫度時,其物態由液態逐漸轉變為固態,即開始結晶析出。固體硫黃的分子一般為S8,其結構呈馬鞍型,當硫黃受熱時,分子結構發生變化。當加熱到160 ℃時,S8的環狀開始破裂為開鏈,黏度升高;到190 ℃時黏度最大;繼續加熱到190 ℃以上時,長鏈開始發生斷裂,黏度又重新下降。在130～160 ℃時,液硫的黏度最小,流動性最好[15-17]。硫在不同溫度下的黏度[18]見圖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

硫黃回收裝置中過程氣、液硫捕集器出口尾氣、液硫池出口廢氣、液硫封進出口液硫中均含有單質硫。過程氣基本都處于200 ℃以上或者長期處于高溫狀態,所以正常情況下不會出現單質硫結晶的現象。但是以上其他介質卻有低溫的情況,硫單質一旦低于112.8 ℃,則會有晶體產生,堵塞管道,影響裝置的正常運行,甚至造成停產,所以對其進行夾套伴熱顯得尤為重要。

根據硫的物理特性,如要保證介質始終處于流體狀態(避免晶體的產生),同時具有良好的流動性,則須將介質溫度控制在150 ℃左右[19]。為了維持這個溫度,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題

根據實際需要優化規范及工藝夾套管配套方案,設計、采購時直接選用剖切型的管件,以降低施工難度,推進施工進度。目前，SH/T 3040—2012《石油化工管道伴管及夾套管設計規范》[20]中提供了13種夾套管配套方案,雖滿足了工藝需求,但是在實際應用過程中發現有些配套方案不合理,同時影響了施工安裝,甚至影響了正常的運行。

現有夾套管配套方案為:1)當夾套管內管公稱直徑≤200 mm時,內管使用長半徑彎頭,套管使用短半徑彎頭;2)當夾套管內管公稱直徑>200 mm時,內管使用短半徑彎頭,套管使用短半徑彎頭。

內管和套管彎頭曲率半徑見表1。

表1 內管和套管彎頭曲率半徑表

在實際應用中,發現上述部分夾套管配套方案不合理。當夾套管內管公稱直徑>200 mm時,若內管使用短半徑彎頭,彎頭處內外管會發生不同程度的碰撞現象,影響施工安裝及介質的正常流動,見圖2(圖中L代表長半徑彎頭，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

施工過程中因為出現碰撞現象,導致彎頭不能安裝。須對彎頭進行重新采購,但由于內管彎頭為抗硫材質,生產及采購周期較長,因此耽誤了施工進度,從而影響了項目的整體進度。現場夾套彎頭碰撞照片見圖3。

圖3 現場夾套管內外管彎頭碰撞照片Fig.3 Crash of elbow of inner and jacketed pipe on site

3 夾套管設計方案改進

3.1 夾套管配套方案改進

按照HG/T 20592～20635—2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》[21]中夾套法蘭的規格型號,包含了DN15/40～DN350/450。而硫黃回收裝置中含硫介質在低溫狀況下存在結晶現象,從而堵塞管道,且管徑越小越容易被堵塞,堵塞后很難處理,故應根據項目的實際情況避免使用小口徑夾套。夾套的設計及施工都具有較大難度,規格型號的多樣化也會給管道設計、材料統計、物資采購等帶來困難,所以對規格型號進行合并可以提升效率,同時降低產生錯誤的概率。

上文已提到的夾套管配套方案碰撞問題,是由于內外管公稱直徑配套方案不合理、彎頭的曲率半徑選擇不當而造成的。在設計過程中應提前做出正確的配套選擇,從而盡量規避后續出現的一系列問題。

綜合SH/T 3040—2012《石油化工管道伴管和夾套管設計規范》[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]法蘭規格型號,對夾套管配套方案進行了改進,見表2。

表2 夾套管配套方案優化表

3.2 蒸汽跨接線方案改進

硫黃回收裝置中高溫管線的過程氣和尾氣一般用保溫方式保證熱量不損失,同時介質一直處于流動狀態,管線不會被凍結及結晶。而過程氣、尾氣上的吹掃介質和置換介質,如氮氣、空氣等,由于長期處于非流動狀態,則容易在與主工藝管線交接點根部閥位置產生凍結的可能,所以需要對根部閥進行夾套伴熱。這樣的情況比較多,如果都對其一對一的夾套伴熱,那么裝置區則會因為蒸汽引入線、跨接線等變成蜘蛛網式的布置,影響操作、美觀,同時增加了投資成本,見圖4。故對蒸汽跨接線方案進行改進，在設計過程中按照區域劃分,采用就近原則進行串聯伴熱,見圖5。

圖4 獨立伴熱方案圖Fig.4 Independent tracing program

圖5 串聯伴熱方案圖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,管線上的閥門采用蒸汽夾套伴熱。如一二級反應器之間過程氣連通線、過程氣換熱器進出口之間連通線,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能夠正常啟閉,對閥門采用蒸汽夾套伴熱。此時,夾套伴熱的蒸汽引入線可利用蒸汽伴熱管就近串聯,同時利用了蒸汽伴熱管的凝液疏水,不再單獨增加蒸汽引入及凝液疏水。

4 結論

1)介質伴熱有多種方式,但當要求加熱均勻、伴熱效率較高時,采用夾套伴熱具有明顯的優勢。工程項目中夾套管的設計是一個難點,涉及面較廣,設計質量的好壞直接影響項目的整體質量。夾套管設計與裝置整體規劃、物資采購、施工進度、裝置安全穩定運行等息息相關,設計質量的高低關乎項目全局。

2)通過對夾套管配套方案、蒸汽跨接線方案的優化,選擇合適的夾套管曲率半徑,采用就近原則進行串聯夾套伴熱,有效解決了項目運行中存在的套管彎頭碰撞、跨接線繁雜的問題,而且滿足了工藝需求及檢維修要求、提升了設計美觀度。改進后的夾套管設計方案對提升項目的整體質量、實現較好的經濟效益都起到了積極作用。