催化裂化装置烟机入口管道的选材

设 计 与 选 材 石 油 化 工 腐 蚀 与 防 护 C o rr o s io n P r o te c ti o n in P e t ro c h e m ic a l I n d u s tr y 2 0 1 0 ， 2 7 ( 2 ) 5 1 催化裂化装置烟机入 口管道的选材 李 坚 ( 中国石化集团洛阳石油化3 2 - 1 - 程公司， 河南 洛阳 4 7 1 o o 3 ) 摘要： 在催化裂化装置中， 从三级旋风分 离器到烟气轮机入 口管道的正常运行是保障烟气轮机正 常工作的重要条件。因此烟气管道的材料选用是管道设计的重要一环。文章对常用的三种不锈钢材 料进行 了比较分析， 明确指出了比较适用于烟气轮机入口管道的不镑钢材料。 关键词： 催化裂化装置烟气轮机 管道材料烟气管道不锈钢 中图分类号： ，I 聊 3 1 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 7- 0 1 5 X 2 0 1 0 ) 0 2 1 3 0 5 1 - 0 3 l 烟气轮机的工作环境 催化裂化技术是石 油加工 中重要 的二次加工 工艺。催化裂化装置 的再生烟气含有大量可 回收 的能量。为了降低装置能耗 ， 近年来对于大中型催 化裂化装置均采用烟气轮机( 以下简称烟机) 回收 再生烟气的能量， 用来驱动主风机或发 电机。烟机 在高温含催化剂粉尘的烟气中工作 ， 操作条件苛 刻。从三级旋风分离器( 以下简称三旋) 到烟机的 入口管道( 以下简称烟气管道) 温度高， 管道直径 大， 应力状况复杂， 烟气管道材料设计的合理与否， 不仅直接关系到烟机的正常操作和使用寿命 ， 也会 影响催化裂化装置的正常运行。 常规烟气管道的设计和操作条件为 ： 设计温度 6 8 0， 操作温度 6 7 0 ； 设计压力 0 2 6 MP a ， 操作 压力 0 1 6 M P a ； 操作介质为再生烟气和催化剂粉 尘 。再生烟气的主要成分 为 C O， C O ： ， S O 和 H 0 等 。烟 气 管 道 的 直 径 基 本 在D N I O 0 0 D N 1 4 0 0 i n n l 。文 章 中 的 管 道 公 称 直 径 以 D N 1 2 0 0 I L r n 进行计算 。 烟气管道 的材料设计主要包括管道材料 、 管道 压力等级 、 管道壁厚 、 垫片螺栓和阀门等 。 2 管道材料的选取 烟气管道在正常操作工况下 ， 主要是要求管道 有足够的抗高温氧化能力和高温持久强度。在开 停工期间， 烟气管道内存在 C O ， C O ， S O 2 和 H ： O 等， 由于与空气接触， 极易被连多硫酸腐蚀。如果 在开停工期间对烟气管道有足够的保护， 可以避免 不锈钢的连多硫酸应力腐蚀开裂。 由于烟气管道的操作温度高达6 7 0， 所选择 的管道材料首先要保证满足抗高温氧化的要求。 依据材料的抗氧化极限温度( 见表 1 ) 规定 ， 对此不 难作出选择。 表 1 常用金属材料的抗氧化极 限温度 钢材牌号 抗氧化极限温度 C 碳素钢 1 2 Cr Mo 1 5 Cr M0 1 Cl 5 Mo OC r l 8 Ni 9， 0 Cr l 8 Ni l 0T i ， 0 Cr l 7Ni l 2Mo 2 0 Cr 2 5 Ni2 O 5 6 O 5 9 0 5 9 0 6 5 0 8 5 0 l 1 0 o 根据近几年设计和用户使用的实际经验， 并结 合材料加工工艺性能、 焊接性能和经济性等综合因 素 ， 常 用 的烟 气 管 道 材 料 可 以选 择 0 C r l 8 N i 9 ， O C r l 8 N i l O T i 和 O C r l 7 N i l 2 Mo 2 。对 于 国产标 准牌 号 为 0 C r l 8 N i 9 ， 0 C r l 8 N i l 0 T i和 O C r l 7 N i l 2 Mo 2材 料 ， 依据 G B 1 5 01 9 9 8 (钢制压力容器 规定 的金 属材料许用应力 ， 长期工作在 5 2 5以上工况时， 要求这 三种材料 C的质量分数大于等于 0 0 4。 0 C r l 8 N i 9， 0 C r 1 8 N i 1 O T i 和 0 C r l 7 N i l 2 Mo 2所对应的 美 国标准牌号为 3 04H， 3 2 1 H和 3 1 6 H。G B T 4 2 3 7 2 0 0 7 ( 不锈钢热轧钢板和钢带 给出了新的牌 号 ， 分 别 为 ：0 6 C r l 9 N i l 0 ， 0 6 C r l 8 N i l 1 T i 和 0 6 C r l 7 N i l 2 Mo 2 。对用于 5 2 5以上环境 的不锈钢 O C r l 8 N i 9给出的牌号为 0 7 C r l 9 N i l 0 。 0 C r l 8 N i 9 ， 0 C r l 8 N i l 0 T i 和 0 C r l 7 N i l 2 Mo 2同属 于奥氏体不锈 钢。主要 区别 在于 O C r l 8 N i l 0 T i 在 O C r l 8 N i 9的基础上增加了稳定化元素钛， 元素钛 在 晶内形成颗粒状 的 T i C ， 起稳定 C的作用， 减少 收稿 日期： 2 0 0 91 0 2 6 ； 修稿 日期： 2 0 0 9 1 1 2 3 。 作者简介： 李坚， 男， 1 9 8 7年广播电视大学石油加工专业毕 业 ， 现在中国石化集团洛阳石油化工工程公司从事石油化 工装置压力管道设计工作。 5 2 石油化工腐蚀与防护 第 2 7卷 不锈钢的晶间腐蚀敏感性。 0 C r l 7 N i l 2 M0 2在 0 C r l 8 N i 9的基础 上增 加 了 镍的含量， 加入了元素钼。镍是奥氏体不锈钢主要 的奥氏体形成元素。镍的增加， 使钢具有良好的塑 韧性和低温韧性， 并且具有优良的冷热加工性能和 焊接性能， 提高了抗高温氧化能力。钼是钢中的铁 素体形成元素， 随着钼元素的加人和质量分数提 高， 耐还原性酸、 耐孔蚀和耐缝隙腐蚀的性能增强。 钼元素还能提高奥氏体不锈钢的高温强度。 从三种不锈钢性能 的比较来 看 ， 选取 3 1 6 H作 为烟气管道的主要材料有更大的优势 。 3 管道压力等级的确定 3 1 管道压力等级确定应遵守的原则 3 1 1 弹性分析法 可用于金属材料强度的分析方法有弹性分析 法 、 极限分析法、 安定分析法 、 疲劳分析法、 非弹性 分析法和试验应力分析法等。 目前应用最多的是 弹性分析方法 ， 如 国家 的压力 容器 规范 G B 1 5 0 1 9 9 8 钢制 压 力 容 器就 是 采 用 这 种 方 法。 S H 3 0 5 9 2 0 0 1 石油化工管道设计器材选用通则 标准给出的管道壁厚计算公式是按弹性准则导出 的， 即将材料限制在弹性范围内。法兰和阀门的温 度压力对应值的计算方法也是采用按弹性 准则 。 3 1 2 等强度设计 管道 中的组成件 比较多 ， 而且每个元件都有各 自的应用标准。等强度原则就是 指同一管道 中各 个元件具有对介质相同的适应性、 相同的强度和相 同的寿命 ( 可拆 的易损件如阀门填料和垫片除 外) ， 主要体现在材料配伍和应用标准的选用。对 于具有公称压力等级的管道元件 ， 应力求选用同一 应用 标 准或 相近 应用 标 准 ， 因为这 些 元 件 的温 度压力表也应该相同或相近。对于用壁厚等 级表示的管道元件， 应选用同一体系的应用标准。 3 1 3 系列化设计 国际上通常有两种标准体系， 即以德国为代表 的欧洲体系和以美国为代表的美洲体系。目前， 在 中国这两种体系并存， 分别为以机械行业为代表的 欧洲体系( 小外径系列) 和以石化行业为代表的美 洲体系( 大外径系列) 。压力管道 的组成件标准化 和系列化的优势在于互换性好， 便于大规模工业化 生产 ， 备材、 保管和施工管理费用低。 3 2 公称压力等级的确定 烟气管道常用的法兰等级为 P N 4 0 ( 欧洲体 系) 及 C I _ 3 0 0( 美洲体 系) 。由于大小外径 之间没 有明显 的对照关 系， 仅 以 C L 3 0 0凸台面法兰为例 进行计算 。 管道的应用标准体系为美标系列 ， 材料采用美 标材料 ， 查相应的温度压力表 即可。一条管道 中， 如果 同时有两个或两上以上不同温度压力 表的不 同标准 ， 应逐一核对其温度压力表 ， 并 使其均得到满足。 管道系统 ( 以下简称管系 ) 在热态下工作 时， 各管道元件会 因热膨胀而发生变形和位移 ， 当这个 变形和位移受到阻碍时 ， 会产生附加位移载荷。由 于这个附加载荷与管系的空间走 向和支架 的设计 有关 ， 因此 又 叫管 系力 。当管道元件 承受管 系力 后 ， 应将其折算成当量设计压力来 校核管道所需要 的公称压力 ， 因为一般的法兰标准给出的温度 压力等级对应值都是仅考虑内压作用时的值。 在管道受力的情况下 ， 管道法兰的压力等级通 常要求进行柔性计算 ， 以保证管道没有泄漏发生 ， 才能够最终确定法兰的压力等级。 4 壁厚等级的确定 4 1 直管壁厚计算公式 G B 5 0 3 1 6 2 0 O 0 ( 工业金属管道设计规范 给 出了管子壁厚的计算公式。对压力管道来说 ， 大多 数都属于薄壁管子 ， 可依据该规范进行计算。 4 2 壁厚等级的确定 用依据 G B 5 0 3 1 6 2 0 0 0 ( ( 工业金属管道设计规 范 计算的管子壁厚值查相应的应用标准， 与计算 值最接近且稍高的对应壁厚就是该管道的公称壁 厚 。按照 S H 3 4 0 51 9 9 6 ( 石油化工管道设计器材 标准 规定： 3 1MH的壁厚为 8 m m； 3 2 1 H的壁厚为 9 m m； 3 1 6 H的壁厚为 7 mm。 从计算结果看 ， 3 1 6 H作为管道材料 在管道支 撑、 柔性计算及经济方面有 明显的优势。当设计温 度提升到 7 0 0 c I = 时 ， 3 1 6 H的许用应力值为3 0 MP a ， 有明显的优势 。 5 垫片的选择及预紧力的计算 烟气管道的常用垫片 主要采用不锈钢柔性石 墨缠绕垫片。垫片系数为 3 0 ； 比压力为 6 9 M P a ； 有效密封宽度为 6 4 i r l r l l 。 5 1 密封副 通常将 由法兰、 螺栓和垫片三者共同组成 的连 接密封结构叫做密封副。密封副是一个静不定结 构， 垫片借助于螺栓的预紧载荷通过法兰压紧垫 第2期 李坚 催化裂化装置烟机入 口管道的选材 片， 使垫片发生弹塑性 变形 ， 填充法 兰密封 面与垫 片间的微观几何 间隙， 增加介质 的流动阻力 ， 阻止 或减少介质的泄漏 ， 从而达到密封的 目的。 5 2 影响密封副密封性能的因素 对密封副的失效问题 ， 涉及到的问题 比较 多。 单就其影响因素来说 ， 直接影响到其密封效果 的因 素有螺栓预紧力 、 垫片 、 性能 、 法兰密封面 、 法兰的 刚度和操作条件 。 5 3 垫片压紧力的确定 垫片的压紧力应不低于达到初始密封( 或叫 预紧状态) 要求所需 要的压 紧力 和工作 状态下达 到密封要求所需要 的压紧力两者 中的较小 值。根 据初始密封 比压的定义 ， 很容易求得预紧状态下所 需要 的压紧力 ， 即此时所需最小压紧力应为初始密 封 比压与垫片有效密封面积的乘积 。 6 螺栓载荷及螺栓总面积确定 垫片的压紧力是靠螺栓 的旋紧所 给予。垫片 的压紧力由预紧状态和操 作状态两个条件共 同确 定， 那么螺栓载荷也应分预紧状态和操作状态两种 情况确定 ， 并取最大值 。 烟气管道常用的螺栓材质为不锈钢或镍基合 金。以3 0 4材质的螺栓计算为例。螺栓常温下需 用应力取 1 3 0 MP a ， 6 7 5的许用应力取 3 2 M P a ， 计算得到的螺栓面积要比需要的最小螺栓面积大 许多 ， 也就是说实际螺栓可产生的载荷有时要比需 要的最小螺栓载荷大许多。在旋紧螺栓时 ， 既不能 使螺栓产生的载荷刚好等于需要的最小螺栓载荷， 也不能等于螺栓能够产生的最大载荷 ， 螺栓设计载 荷应介于二者之间。 工程上 ， 预紧状态下 的螺栓设计载荷 可按 下式计算 ： 1 = F G = 6 ( A + A 6 ) 厶 操作状态下 的螺栓设计 载荷 可按下 式进 行计算 ： = 式 中： 预紧状态下的螺栓设计载荷 ， N； 操作状态下需要 的最小螺栓载荷 ， N； A 需要的螺栓总截面面积 ， m m ； A 实际选用 的螺栓总截面面积 ， m i l l 。 ； 操作状态下的螺栓设计载荷， N ； 常温下螺栓材料的许用应力， M P a 。 7 结 论 催化裂化装 置烟气轮机的入 口管道和法兰材 质用 3 1 6 H较 3 2 1 H和 3 0 4 H 有 比较 明显 的优势。 法兰等级应采用 C L 3 0 0及其以上等级。为了保证 密封副不泄漏， 螺栓材质选择耐高温材质， 垫片选 择不锈钢柔性石墨缠绕垫片。 M a t e r i a l Se l e c t i o n f o r I n l e t Li n e o f FCCU Fl ue Ga s Ex pa n de r L i J i a n S I NO P E C L u o y a n g P e t r o c h e mi c a l E n g i n e e r i n g C o rp o r a t i o n(L u o y a n g ， He n a n 4 7 1 o o 3 ) Ab s t r a c t ： I n t h e F CC u n i t ， the n o r ma l o p e r a t i o n o f the fl u e g a s l i n e f r o m 3 r ds t a g e c y c l o n e s e p a r a t o r t o flu e g a s e x p a n d e r i n l e t i s c r i ti c a