异壬醇装置高压管道设计

DOI:10.16759/ki.issn.1004-017x.2015.06.003VoL40No.6 Jun. 2015上海化工Shanghai Chem ical Industry异壬醇装置高压管道设计李辅民福陆（中國工程建设有限公司上海201103摘要高圧管道系统是异壬醇装置中的重要管道系统，_旦发生泄漏会造成较为严重的后果。结合具体工程实 例,从设备平面布置、管道平面布置、材料选择、应力分析等方面,介绍了异壬醇装置高圧管道的设计要点， 以期为高圧管道设计提供参考。关键词异壬醇装置高压管道设计设备布置材料选择应力分析 中图分类号TE973(C)1994-2019 Chum Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 作者简介：李辅民男1976年生本科工程师主要从事压力管道设计工作异壬醇装置高压管道的设计应重点考虑以下几 个问题:设备布置満足安全防火、防爆要求的同时 要便于安装、操作和检修;管道布置在満足艺流程 图的要求下长度应尽可能短，由于管道壁较厚,管道 布置应保证足够柔性，还需特別注意高压泵及压缩 机出口管道的减振设计，合理设置通道和平台以满 足安装、操作和检修要求;材料应根据设计条件选择 合适的压力等级和壁厚，同时还应満足国家标准及 规范和经济性要求；应力分析应保证管口受力満足 设备厂家提出的力和力矩的要求，保证管系受力合 理、柔性満足各种况的要求,还应特別注意控制法 兰的力和力矩。在施工过程中应特别重视焊接质量、 法兰紧固程序和力矩值的控制。本文以某异壬醇装 置的高压管道设计为例,对上述几个方面进行阐述。1项目背景及概述近年来，随着塑料行业的迅速发展和人们对环 保要求的迸一步提高，新一代增塑剂邻苯二甲酸二 异壬酯(DINP)在玩具和电线电缆中得到广泛应用。 异壬醇（INA)作为生产DINP的原料,需求量也随之 快速增长。某项目采用国外专利技术一高压羰基合成醇 艺生产异壬醇，主体工程包括丁烯二聚制异辛烯 和异辛烯羰基合成制异壬醇两个艺单元，其中丁 烯二聚制异辛烯包括抽余油的干燥和净化、丁烯二 聚、产品分离等序;异壬醇的合成包括羰基合成单 元、加氢单元和精馏单元。辅助系统包括中间罐区、循环水塔、管廊、火炬、消防水池和泵房等。异壬醇合成单元的高压管道（文中指设计压力 为29.5 MPa的管邀共有28条,重点讨论了异壬醇 装置高压管道的设计、材料选择和应力分析等应注 意的问题,以期为类似高压管道的设计提供参考。2流程简介异辛烯羰基合成制异壬醇的主要反应流程是由 罐区来的异辛烯和界区来的合成气在约27 MPa的 压力和约185 C的温度下进行羰基化反应生成异壬 醛，催化剂为醋酸钴溶液，主反应化学方程式见式 (1)。具体艺流程(见图1)为经处理过的合成气由 合成气压缩机压缩后和来自罐区并经高压泵 (U4111A/B)增压的异辛烯以及制备系统来的液相 催化剂一起进入一段羰基化反应器(R4140)和二段 羰基化反应器（R4142内进行反应，反应热进入蒸第6期李辅民:异壬醇装置高圧管道设计- 11 汽发生器（E4146A/B)用于产生蒸汽，生成的异壬醛 和氢气进入加氢系统反应生成异壬醇。CHCH31-CHCH2-CH-CH2-CH=CH2+CO+H0CHCH31-CHCH2-CH2-CH2-O(1)IICHrCHrCH3设备布置 3.1平面布置该项目工程内容包括2台高压反应器，预留1 台。GB 501602008石油化工企业设计防火规范 (以下简称石化规）中5.2.19规定：高压和超高圧的 压力设备宜布置在装置的一端或一侧，有爆炸危险 的超高压反应设备宜布置在防爆构筑物内。因此该 项目将高压反应器布置在装置东侧的构筑物内，参 见图2。反应器的东侧距离道路边缘28 m，该区域主 要用于高压反应器的安装和检修，同时满足业主项 目规定的安全距离要求。南侧布置合成气压缩机,与 高压反应器的最近距离为13.05 m,満足石化规表 5.2.1中可燃气体压缩机与其他艺设备防火间距 不小于9 m的要求。西侧为高压泵区及装置内管廊， 异辛烯进料高压泵靠近高压反应器布置，以尽可能 地减少管道长度。两台泵中间的净距离为4.5 m,为 高压泵的检修区，满足厂家提出的净距离不小于2.5 m的要求。同时在高压泵的上部设置了可向四个方 向移动的手动葫芦以方便高压泵的检修。高压泵与 合成气压缩机的距离为10.88m，満足石化规表 5.2.1 可燃气体压缩机与其他工艺设备防火间距不 小于9 m的要求。11图2异壬醇装置高圧区设备布置简图高压反应器为立式设备,直径2 m,高26 m,采 用裙座支撑，裙座高1 m,重约200 t支撑在框架的 4 m层。考虑到反应器的操作温度为192 C,増加了 30mm厚的耐高温玻璃钢隔热垫以保证支撑反应器的结构钢梁不受反应器温度变化的影响。3.2平台设置平台的设计不仅要满足规范要求，还应满足操 作、安装、检修及配管的要求。高压反应区分别在距 地面4、15.5、22.5及26 m处设置了 4个平台。4 m 层平台主要用于支撑2个反应器，同时方便操作调 节阀组，并设有两个直爬梯通向地面。15.5 m平台主 要用于异辛烯预热器和进料阀组的检修以及安全阀 的操作维护，并设有两个过桥通向艺装置区框架。 22.5 m平台主要用于检修反应器和蒸汽管道阀组的 操作维护，也设置了两个过桥通向艺装置区框架。 26m平台主要用于反应器安全阀的操作维护，由于 平台长度小于8 m,故只设置了一个直爬梯通向 22.5 m平台。高压泵区设置了 1.9 m高的平台，主要用于操 作高压泵进料管道上的阀门和氮气吹扫阀组，同时 也作为高压泵出口管道和安全阀管道支架的生根 点，由于平台长度不大于8m,故只设置了一个直爬 梯通向地面。合成气压缩机的平台由厂家设计，设置了一个 斜梯和一个直爬梯，以满足操作、检修和配管要求。4管道布置4.1高压泵进出口管道布置两台高压泵进、出口管道対称布置。之前某项目 中，高压泵出口管道的前4个支架都生根在钢平台 上,导致实际运行中振动较剧烈(整个钢平台都跟着 振动。总结经验后,该项目对管道布置和平台设计 进行了改进，出口高压侧管道前4个支架生根在地 面混凝土墩上，同时选用防振限位支架，以便尽可能 避免或减少管系振动。压力低的高压泵入口管道在 平台上分別进入两台高压泵入口，两台高压泵的出 口管道在平台上合并后进入预热器。预热器入口的 调节阀组布置在靠近预热器的15.5 m平台上，以便 于操作和检修。 经过预热器预热后的安全阀、 温度 计、压力变送器、切断阀门等也布置在15.5m的平 台上以便于操作。该异辛烯管道在4 m平台上和从 合成气压缩机来的合成气合并后进入高压反应器。 由于合成气为气相,异辛烯为液相,合并后流体为气 液两相流,为了减少管道振动,汇合点应尽量靠近反 应器，同时气液两相流的管道尽可能短。综合操作便 利性和气液两相流振动两个因素，将汇合点设置在 4m平台上,距离反应器管嘴大约4m。在满足应力 分析和防振设计的条件下，两相流管道尽量采用直 管道,同时增加支架刚性。高压泵及压缩机出口管道不仅要进行静力分 祈,还要将管道的单线图（简称ISO)、艺流程图、设 备厂家图纸、支架标准图、保温材料物理参数等提交 给高压泵厂家进行动力分析，并依据动力分析结果 和要求调整管道布置和支架位置。该项目厂家提出 要在高压泵出口安装一个减振器，在对管道布置进 行修改并通过静应力分析后，再次由厂家进行动力 分析，直至管道布置同时达到静力分析和动力分析 的要求。压缩机出口管道布置参照高压泵管道出口 布置。4.2反应器顶部管道布置顶部高压系统主要由主反应产物异壬醛管道 进入蒸汽发生器进行热量回彳收和顶部安全阀系统 组成。高压异壬醛管道设置弹簧架以吸收高压反应 器的热位移并控制反应器管嘴力，同时便于压力表 和阀门的操作。高压反应器的安全阀布置在26 m平 台上，考虑到高压反应器热膨胀的影响并结合应力 分析返回条件，在安全阀进口管道设置弹簧架以吸 收反应器的热位移。顶部管线还需增加配对法兰，以 便于反应器的检修。4.3反应器底部地上管道布置反应器底部与地面距离为3.5 m,底部高压管道 系统主要由高压减压系统和高压泄压系统组成。根 据操作及检修的要求，高压减压阀组和顶部检修用 的泄压阀组应布置在地面上，同时反应器底部还要 留有检修空间，这使得反应器底部本来就不宽裕的 地面空间变得更加紧张。通过和应程师及业主 工程师的多次方案比较、修改,最终确定了反应器底 部地面管道布置。5材料选择5.1设计参数确定根据艺专业提供的条件，高压管道中最苛刻 的工作压力为27.8 M Pa、工作温度为192 C、安全阀 整定压力29.5 MPa,参照GB/T 20801.32006压力 管道规范业管道第3部分：设计和计算4.1中 的设计条件，同时考虑200 C时316不锈钢法兰的 最高许用压力为29.7 MPa,设计压力取29.5 MPa,设 计温度取200 C。5.2管道材料选择管道材料是管道设计的基石，直接影响到压力 管道的安全性、可靠性和经济性。现有装置的异壬醇 高压管道材料采用德国标准化学会（DIN)发布的 DIN 17458中规定的1.4401不锈钢材料，其化学成 分和力学性能相当于美国材料与试验协会(ASTM) 规定的ASTM A312TP316不锈钢管道材料。由于其 他管道采用ASME标准，如果高压管道要采用DIN 标准的不锈钢材料,则设计、采购和施工都必须符合 两套标准，将大大増加工程造价。于是该项目采用 ASTM A312 316L/316双牌号不锈钢（化学成分符合 316L,而力学性能可按316的要求选取。各标准中 规定材料的化学成分及力学性能见表1和表2。对厂家提供的材料进行测试，各项数据均高于%(C)1994-2019 Chum Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 表1材料化学成分标准牌号CSiMnPSNiCrMo其他DIN 174581.44010.0701.002.000.0450.03010.5013.5016.5018.502.002.53N 0.11ASTM A312TP316L0.0350.752.000.0400.03010.0015.0016.0018.002.003.00N 0.10GB/Tr17Ni12Mo2 0.0301.002.000.0350.03010.0014.0016.0018.002.003.00-表2材料力学性能标准牌号屈服极限(20”/MPa强度极限()(20 ”/MPa延伸率/%DIN 174581.440121051040ASTM A312TP31620751540GB/r17Ni12-Mo220552035标准要求,可见选用316L/316双牌号不锈钢作为高 压管道系统的材料完全満足设计要求。5.3管道压力等级的确定根据GB 503162008业金属管道设计规 范:pA=PN(Tt/(Tx式中，a设计温度下的许用压力,MPa;PN公称压力,MPa;1设计温度下材料的许用应力,MPa;x决定组成件厚度时采用的计算温度下 材料的许用应力,MPa；以异壬醇装置高压管道系统最苛刻条件下的 况为例：高压加氢甲酰化一段反应器到二段反应器 的主物料管道操作温度192 C,操作压力27.8 MPa， 设计温度200 C，设计压力29.5 MPa，管道材料为 ASTM A312 316L/316双牌号不锈钢。查ASME B31.3-2012附表A-1,得到金属的许用应力值。200 C时,!=134 MPa; 40 C时,138 MPa。经计算 得 PN=30.4 MPa。根据计算结果选取CL2 500磅（PN 42 MPa压 力等级。根据ASME B16.5-2013中温度压力等级表2.2 材料组别可以得到CL2 500磅等级的法兰在192 C 下的最高许用压力为30.10 MPa讷插法，大于设计 压力29.5 MPa。说明管道等级选取是合适的。5.3管道壁厚计算根据 GB 503162008: ts=pDo/ 2(aJE+Yp)tsd=ts+C=1+2其中,直管计算壁厚,mm;p设计压力,MPa;D0官道外径,mm;E-焊接接头系数；tsi直官设计壁厚,mm;Y温度影响系数；C厚度附加量之和,mm;C一一厚度减薄附加量，包括加工、开槽和螺 纹深度及材料厚度负偏差,mm;C2腐蚀或磨蚀附加量,mm。以DN100 mm的高压管道为例,计算管道壁厚。 管道设计压力p=29.5 MPa;管道外径Do=114.3 mm; 管道在设计温度200 C下的许用应力f = 134 MPa;无缝钢管的焊接接头系数E=1.0;经查表，温 度低于482 C时，奥氏体不锈钢的温度影响系数 Y=0.4;根据艺和腐蚀专业提供的数据得腐蚀裕量 C2=1.5 mm,厚度负偏差率为12.5%。经计算得:ts= 11.56 mm, Ct=1.45 mm,tsd=14.51 mm。ASME B36.19M-2004规定最大壁厚为8.56 mm, 而标准中又指明ASME B36.10M-2004壁厚系 列同样适用于能够从市场上购买到的不锈钢管道。 对应ASME B36.10M-2004中XXS160的管道壁厚 为17.12 mm,圆整至18 mm。以上计算公式要求计 算壁厚小于外径（114.3 mn)与6的比值（19.05 mn)，所以高压管道DN100 mm的管道壁厚选18 mm是合适的。6应力分析异壬醇装置高压管道系统的应力分析方法与普 通压力管道的应力分析方法相同，都要校核一次应 力和二次应力,但高压管道壁比较厚、刚度大、柔性 较差,所以在布置高压管道吋,不仅要満足操作、安 装和检修的要求,还应满足应力分析的要求，以保证 管道系统在高压下受到的推力和弯矩在合理范围 内。由于CL2 500磅等级的法兰在192 C下的许用 应力（30.30 MPa接近设计压力(29.5 MPa ,该项目 对高压法兰泄漏进行了重点分析和计算。一般情况下,在化工装置管道设计过程中，标准 法兰是不需要校核的。但以下情况下需要校核法兰 以确保管道系统安全：（1)非标法兰；（2法兰泄露 会带来巨大危害,例如极度危害介质的管道；（3法 兰处可能存在大的弯矩；其他项目规定或业主 要求需要校核的情况。应力分析软件CAESAR II常用的法兰校核方 法有等效压力法和ASME SEC VIII方法。其中等效 压力法于20世纪50年代由Kellogg公司发明，被广 泛运用于工程领域。但其具有很大的保守性,根据利 用等效压力法计算法兰设计压力的工程经验，等效 压力值超过设计压力值20%以内可以认为该法兰 是安全的。当量压力计算公式3: psl=16Mx1 000/(nD3)+4F/(nD2)P=P1+PeqM= Vk+Mj式中，eq当量压力,MPa;p1管道工作压力,MPa;M法兰承受的弯曲力矩,Nm;Mx法兰在某一方向所承受的弯曲力矩，N *m；My法兰在与上述方向的垂直方向所承受 的弯曲力矩,N*m;F法兰所承受的拉力（不包括内压产生的 拉力），N;D塾片的计算直径,mm；以DN100mm反应器出口管道为例，根据应力 报告230节点法兰的受力情况为：Mx=181 N-m，My=-1 784 N m,则 M=姨=1 793 N m, F 在 x轴方向是受压力，F=-2 608 N。DN100的CL2 500 磅等级的法兰垫片计算直径为157.16 111 MPa，法兰的设计压力P =30.02 MPa。等效压力 为法兰设计压力的7.4%左右，小于20%,说明该法 兰不存在泄漏风险。设计过程中，如果法兰用等效压力法验算不通 过的话,需要采用ASME SEC VIII法兰校核方法进 行进_步校核和分析，以确保其在设计过程中的安 全性。7施工说明异壬醇装置高压管道具有管壁厚、管道等级高 等特点，因此在其施工过程中要给予高度重视。材料 检验、焊接艺评定、焊前及焊后热处理、管道安装 等都要进行严格控制和管理。根据GB 50316-2008 中的5.2.4,当无缝钢管用于设计压力大于或等于10 MPa吋，不锈钢的出厂检验项目不应低于GB/T 14976-2012流体输送用不锈钢无缝钢管规定2。法兰安装时不可采用预制管道代替阀门、仪表 件、特殊件等进行试压后的组装定位,现场焊缝对口 前,法兰连接件必须连接完成,同时管架应已按设计 要求正确安装完成，不能脱空及预加设计要求之外 的任何附加载荷。此外,应经施工管理人员检验合格 后才能进行对口焊接，同时还需严格控制施工附加 应力，以避免其作用到法兰连接面。高压法兰的密封 采用金属环垫，应符合SHA 3403-2013石油化工 钢制管法兰用金属环垫或与其相当的标准规定。4 环槽面法兰装配前，法兰环槽密封面与金属环垫应 进行接触线检查，当金属环垫在密封面上转动45 后,检查接触线不得有间断现象。法兰螺栓的紧固应 根据项目规定选用紧固工具和紧固程序，法兰紧固 的力矩值应符合项目规定的要求。8结语异壬醇装置高压管道设计涉及设备布置、管道 布置、三维模型建立和单线图生成、材料选型、应力 计算、支吊架设计、土建条件发布、保温涂漆设计、供 货商图纸审查及技术澄清等内容，是团队协作性要 求较高的项目。所以在高压管道设计中不仅要做好 本专业的工作，还要协调好其他专业的工作以不断 优化设计、提高设计质量、保证高压管道在设计阶段 的安全性，同时在重要的施工节点增加施工说明，提 醒施工单位重视施工方法和程序,保证施工质量，只 有这样才能尽可能地将高压管道的泄漏风险降到最 低。参考文献：1 GB 50160-2008石油化工企业设计防火规范S.2 GB 50316-2008业金属管道设计规范S.3 张德美，王怀义