浅谈硫磺回收装置中蒸汽夹套管的应用.docx

浅谈硫磺回收装置中蒸汽夹套管的应用军 邢中国石油化工股份天津分公司油品作业部天津300271洛阳石油化工工程公司洛阳471003刘凤臣摘要介绍了硫磺回收装置蒸汽夹套管道设计方法及制作安装要求 。关键词硫磺回收 蒸汽夹套管 设计 制作安装近些年 , 由于原油中硫 、金属及酸的含量增加及原油加工量增大 , 对石油化工装置的设计 、 生产提出了更高的要求 。特别随着环保意识的增 强 , 对石油化工生产的排放要求更加严格 。现在很多炼油化工厂都增加了环保装置的投入 。硫磺回收装置不但具有良好的社会效益 , 而且还具有 很好的经济效益 。根据硫磺回收装置设计特点 ,论述蒸汽夹套管伴热设计 、施工中的一些问题 。两种 , 根据 SH/ T3040规范要 求 , 当 介 质 凝固点 100 时 , 除输送有毒介质外 , 夹套管应 采用内管焊缝隐蔽型 , 因此硫磺回收装置液硫管道在设计时采用内管焊缝隐蔽型夹套伴热方式 ,相应 管 道 上 的 阀 门 、法 兰 、过 滤 器 等 采 用 夹 套 型 。对于 过 程 气 , 由 于 含 有 H2 S 、SO2 、CO 等 有毒气体 , 而且 温 度 一 般 在 170 270 , 即 使有局部热损失也不至于低于硫蒸气露点温度 , 不 会产 生 结 露 ; 再 者 过 程 气 的 管 径 较 大 , 温 度 较 高 , 管系特别是在弯头和分支处应力较大 , 外露 型的管系柔性好 , 易于管道热补偿 , 因此过程气 夹套伴热管应采用内管焊缝外露型 。此外外露型还有便于施工的特点 。金山 、镇海引进的硫磺尾 气处理装置及镇海 、洛炼的硫磺尾气处理装置 , 过程气管道采用了蒸汽夹套外露型伴热 , 过程气 温度保持在硫蒸气露点温度以上 , 过程气管道不 结露 , 畅通无阻 。隐蔽型及外露型夹套伴热方式见图 1 。1设计111伴热石油化工装置的伴热形式主要有电伴热 、蒸 汽夹套伴热 、蒸汽伴管伴热及热水伴热 4 种 。硫 磺具有凝点高的特性 , 当温度低于 121 时会发 生液态变成固态的相变 , 液硫还有另一个特性是 当温度在 130160 时粘度最小 , 便于输送 ; 硫 磺尾气处理的过程气 , 硫蒸气露点温度 130 左 右 。根据 SH/ T3040石油化工管道伴管和夹套管 设计规范规定 , 为防止液硫管道由于温度下降 而凝堵 , 而且还要保证有较好的流动性 ; 或过程 气单质硫结晶析出 , 硫磺回收装置液硫管道及过 程气管道均应采用蒸汽夹套伴热的方式 。此外也 可采用电伴热形式 。电伴热具有安全可靠 、施工 简便 、日常维护工作量少等特点 , 其能量有效利 用率高 , 操作费用低 。但电伴热一次性投资较高 , 而且为了充分利用硫磺回收装置自产 013MPa 饱 和蒸汽 , 除非用户有特殊要求 , 一般在设计时采 用蒸汽夹套伴热 , 其伴热效果还是良好的 。112夹套伴热管选型夹套管有内管焊缝隐蔽型及内管焊缝外露型内管焊缝隐蔽型内管焊缝外露型图 1夹套伴热管 邢 军 : 统计师 。1991 年毕业于河北大学统计专业 。从事油品储运工作 。联系电话 : ( 022) 63807660 。2005 ,15 (2)27邢 军等 浅谈硫磺回收装置中蒸汽夹套管的应用式中 , S 为包括管子附加余量在内的管子壁厚 ,mm ; C 为管 子 壁 厚 附 加 余 量 ( 包 括 腐 蚀 余 量 、 壁厚负偏差和螺纹深度等) 之和 , mm 。113选材及管道壁厚硫磺 回 收 装 置 液 硫 的 温 度 一 般 在 150 左 右 , 而含硫蒸气的过程气 , 需要夹套伴热管道温 度在 150 270 , 不存在高温硫腐蚀 及 低 温 湿 硫化氢腐蚀环境 , 所以夹套内管及外管材质选用 碳钢可以满足要求 , 但具体还要根据工艺介质成t当 S0 D0 / 6 或 P/ 01385 时 , 其计算壁厚应根据断裂理论 、疲劳 、热应力及材料特性等综合因素考虑确定 。 当内管介质压力低于伴热介质压力时 , 管子壁厚的确定按 GB150 钢制压力容器第 612 节 和第 613 节进行计算 。当确定 D0 / S0 10 的管子 许用外压力时 , 应力0 应取下列式中的较小值 :分确定 。根据设计经验 ,下事项 。11311材质夹套管选用时应注意以内外管 材 质 的 选 择 应 考 虑 适 合 于 流 体 的 性质 、压力 、温度及其壁厚 。(1) 内管侧既要能耐最高使用内压 , 又要能 耐最高使用外压 (指内管侧的压力为大气压或负压时) 。当内管内介质压力高于内管外伴热介质 压力时 , 内管壁厚可按内管最高压力进行计算 :当 S0 0 及 R2 R1(弯头外侧) ,在选用上述组合尺寸时还应考虑到由于管道热膨胀而引起的弯头部位接触问题 , 并计算出所 选组合弯头的内外间隙 、内外管相应伸长量和内 外管相对伸长产生的间隙 。(1) 计算组合弯头的内外间隙 :22R2 - R1R2 - R1D = B -+l1+l2+- (R2 - R1)22(7)当l 0 及 R2 R1l1 l2 , D = C - l1l1 l2 , D = C - l2当l R1(弯头焊接处外侧) ,当 R1 R2 时 , 最小间隙在弯头内侧 ,间隙 A 按下式计算 :最小(8)(弯头焊接处外侧) ,l1 l2 , D = C - l1 l1 R1 时 , 最小间隙在弯头外侧 , 最小 间隙 B 按下式计算 :(9)当l 0 及 R2 R1(弯头内侧)22R1 - R2+ | l |R1 - R2+ | l |B = ( R2 + r2 ) - ( R1 + r1 )当 R1 = R2 时 ,A = B = C式中 , r1 为 内 管 半 径 ,( R2 - R1 )+ t (6)+2D = A -+1222- ( R1 - R2 )(10)表 示根据 各 式 计 算 结 果 , 若 D 值 为 正 值 ,mm ;r2 为 外 管 半 径 ,不接 触 , 因 此 D 值 即 为 间 隙 。间 隙 小 的 场 合 ,应根据弯头制造的允许偏差 , 焊缝高度等进行判 断 。如果间隙过小或 D 为 负 值 , 则 夹 套 管 外 管 尺寸应考虑加大或将弯头处局部扩大 。11512 三通内管三通的缩径范围 , 原则上缩小两级公差 直径 , 从大口径管上引出小口径支管的地方焊接 管嘴 。而外管上引出支管 , 原则上使用分为两瓣 的三通 。剖切形式有如下两种 , 可根据施工时不同需要选择 , 见图 4 。mm ; t 为外管壁厚 , mm ; C 为内管外壁与外管内径平均间隙 , mm 。(2) 计算内 、外管相对伸长量 :l = Eia ( Ta - 2111) 102 - Eib ( Tb - 2111)102式中 , l 为 每 米 的 伸 长 差 , mm/ m ; Eia 为 内 管的线 胀 系 数/ ; Eib 为 外 管 的 线 胀 系 数/ ; Ta为内管温度 , ( 在决定内管的计算温度时 , 要 研究各种情况 , 按最不利条件考虑) ; Tb 为外管 温度 (即蒸汽温度) , 。(3) 计算内 、外管相对伸长产生间隙 : 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005 ,15 (2)29邢 军等 浅谈硫磺回收装置中蒸汽夹套管的应用单 , 易于施工 , 但由于其与管道焊接为角焊缝 ,无法进行射线探伤检测 , 而且其焊缝强度也无法 保证 , 不适合于温度压力高 , 口径大的管道上 ;平面对焊式法兰 , 外管焊接为环焊缝 , 可以进 行射线探伤检测 , 焊缝强度好 , 适合于温度压力高 , 口径大的管道上 ; 平面式夹套法兰具有传 热效果好 , 受热均匀的特点 , 适合用于凝点高 , 易结晶介质管道上 。由于液硫具有凝点高 , 易结 晶的 特 点 , 而 且 通 常 液 硫 管 道 温 度 不 高 , 在150 左右 , 管径也不大 , 管系柔性好 , 为保证法兰处伴热均匀 , 防止液硫凝结 , 在设计中通常 选用平面式夹套法兰连接 。图 4 夹套三通剖切形式11513异径管夹套异径管可用标准无缝异径管接头 , 套管 也可选用焊接异径管 , 但应保证有足够的间隙 。 为防止管道热胀时内外管相碰 , 在安装时可前后 错开 50 mm , 见图 5 。图 7 内管焊缝隐蔽型仪表管口(2) 内管焊缝外露型有端板式夹套管连接 、带垫板的管帽式夹套连接及管帽式夹套连接等 。 相比之下 , 管帽连接形式简易 , 施工方便 , 所以 在硫磺尾气处理的过程气管道设计上通常采用管帽式连接 。根据镇海炼油厂及洛阳炼油厂硫磺尾 气处理装置过程气夹套管施工反映 , 该管帽连接 形式 简 易 , 施 工 方 便 , 深 受 用 户 和 施 工 单 位 欢 迎 。每段夹套管之间的蒸汽跨接管 , 其管径大小与供汽管相同 , 规格见表 1 。117应力分析在管道应力分析中 , 夹套管属于一个特例问 题 , 进行应力分析的关键是正确建立力学模型 。 在利用计算机程序进行夹套管应力分析时 , 可将 夹套管理想化为空间中重合的两个管系 , 二者在 法兰 、管帽或端板相连 , 应正确进行节点描述 , 同时还要对定位板进行正确模拟 。对于硫磺回收 装置 , 套管内伴热介质为蒸汽 , 密度小 , 可以忽 略不计 。但如果套管内伴热介质密度较大 , 则必 需考虑其密度对管系的重力作用 。应力分析时应 将内管与外管之间的介质密度转化为充满整个套图 5 夹套异径管11514仪表管口内管焊缝外露型的仪表管口 , 管顶放气口及 管底排液口的连接见图 6 。内管焊缝隐蔽型见图7 。图 6 内管焊缝外露型的仪表管口116管道连接根据SH/ T3040规 定 , 当 内 外 管 温 度 差 在 50 范围内 , 其每节夹套管长度以不超过 6 m 为宜 。(1) 内 管 焊 缝 隐 蔽 型 有 平 面 承 插 式 法 兰 连 接 , 平面对焊式法兰连接及平面式夹套法兰 ( 钻 孔式) 连 接 。其 中 : 平 面 承 插 式 法 兰 制 造 简 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 30CHEMICAL ENGINEERING D ESIGN化工设计 2005 , 15( 2)管的平均密度 ,力分析的压力 ,保证计算正确性 。对于夹套管应套管可采用伴热介质压力 , 内管要合理 选 择 支 架 形 式 及 设 置 位 置 , 避 免 受 到 破坏 。压力则应取内外管介质压力之差 。应力分析的温度 , 按 SH/ T3041 石 油 化 工 管 道 柔 性 设 计 规 范取内管或外管温度较高者作为计算温度 , 但 由于内外管之间实际是存在温度差 , 为保证计算 结果更准确 , 及验证夹套管在弯头 、分支管处是否引起内外管接触问题 , 我们在计算时通常考虑一定温差 , 一般取 10 。 除将夹套管模拟为空间重合管系外 , 在套管和内管的法兰连接 、管帽连接 、端板连接处 , 套 管和内管应为 C - NOD E 节点连接 , 其余各点应采用不同节点号 ; 在定位板处 , 应采用计算程序具有的约束功能 , 使套管与内管在径向上具有相 同的线位移 , 而在其他方向上可具有相对线位移和角位移 。夹套管应力计算 , 支吊架应在外套管 节点描述 。夹套管的应力校核包括两部分 : 分节夹套 管段的应力校核 ; 整个管系应力校核 。(1) 对于分节式夹套管 , 由于内外管之间为 刚性连接 , 内外管之间温差及压差产生的应力比较大 , 容易造成套管与内管之间焊缝拉裂 , 尤其 是对于管帽式或端板式夹套管 , 其焊缝受力为剪应力 , 更容易受到破坏 , 因此要对分节式夹套管进行应力校核 。减小分节式夹套管应力的方法主 要是选用伴热介质温度与被伴热介质温度相近和减小夹套管段长度 。SH/ T3040 要求内外管温差 不大于 50 及夹套管段不大于 6 m 。当介质温差 过大时 , 也可在套管设置波形膨胀节 。以硫磺回 收装置液硫管道为例 , 液硫温度 为 150 左 右 ,为了减小内外管之间的温差从而减小两者由于热胀差 异 而 产 生 的 热 应 力 , 一 般 选 用 013M Pa ,143 饱和蒸汽作为伴热介质 , 这样内外管温差 只有 10 左右 , 由此产生的热应力约为 207 kg/ cm2 , 所以在设计中采用了不分节的夹套管伴热 , 内管焊缝隐蔽形式 , 管系考虑富有柔性 , 如图 1 所示 。而 硫 磺 尾 气 处 理 装 置 要 保 证 过 程 气 不 结露 , 又因工艺过程有时需要内管 温 度 达 270 ,这样内外管温差 127 , 而产生的应力远远超过 应力允许范围 , 为此一般采用在外管设置膨胀节使整个管系富有柔性 , 比较容易通过应力计算 ,如图 8 所示 。但膨胀节作为管道上的薄弱环节 ,图 8 套管设置膨胀节的夹套管(2) 夹套管整体应力的校核 , 仍可按通常管道应力校核准则 , 对于夹套管的位移受约束而产 生的二次应力范围不大于按式 (11) 计算出的许用应力范围即认为二次应力是合格的 。t = f(1125 t0 + 0125 t )(11)M Pa ; t 为管道材料的许用应力范围 ,式中 , t0 为 管 道 材 料 在 安 装 温 度 下 的 许 用 应 力 ,M Pa ; t 为管道材料在计算温度下的许用应 力 , M Pa ; f 为在预计寿命内 , 考虑循环总次数 影响的许用应力范围减小系数 。当计算 的 许 用 应 力 范 围 超 出 式 ( 11 ) 要 求 时 , 如果由内压和持续荷载产生的一次纵向应力 低于 t 时 , 可将 t 与L 的差值加在许用 应力范围中 , 以扩大二次应力的许用应力范围 。 此时如果计算的许用应力范围满足式 (12) 要求 时 , 也认为二次应力是合格的 。t = f1 125 t0 + t ) - L (12)式中 , L 为由内压和持续荷 载 产 生 的 一 次 纵 向应力 , M Pa 。对于夹套管整体校核应力 , 则按外管计算 。 但当内管伸长量大于外管伸长量 , 内管应力可能 大于外管应力 , 这时把相对伸长产生的应力与计 算外管应力相加作为内管的校核应力是安全的 。对于校核反力 , 应考虑将内外管的断面系数相加 , 则校核管壁厚的计算公式如下 :D0 - Dit =(13) (14)mm ; Di2Di = (D0 4 - 64 I/) 1/ 4式中 , t 为壁厚 , mm ;D0 为外管外径 , 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005 ,15 (2)31邢 军等 浅谈硫磺回收装置中蒸汽夹套管的应用为热应力计算的内径 ,面惯性矩之和 , mm2 。118供汽与排凝mm ; I 为外 管 与 内 管 断寸调整为原则 , 预留调整段以 50100 mm 为宜 。(2) 内管焊缝隐蔽型夹套管 , 在内管焊缝处 应留 150 mm 长缺口 , 待内管焊缝检验 , 试压合 格后再用两半管段将缺口焊接封闭 。(3) 夹套管安装的坐标 、标高 、水平度及垂 直度应符合设计要求 , 其偏差值不应超过下列规 定 : 坐 标 偏 差 10 mm ; 标 高 偏 差 5 mm ;管 道 安 装 水 平 偏 差 1/ 1000 , 最 大 不 超 过20 mm ; 管道安装垂直偏差 1/ 1000 , 最大不 超过 15 mm 。(4) 夹套管焊缝位置布局应符合以下规定 :直管段焊缝间距 , 内管不应 小 于 200 mm , 外 管不应小于 100 mm ; 环焊缝距管架不应小于100 mm , 且不得在过墙或楼板处 。(5) 当夹套管系统非常复杂时 , 为了不使供 汽产生偏流 , 可在夹套上适当设置隔板 , 将系统 隔开 , 其材质与内管相同 。(6) 为防止内外管的偏心 , 在内管侧安装导 向定位板 , 定位板材质与内管相同 。在安装定位 板时应根据夹套管组合尺寸不同确定其间距 , 同时定位板的安装方位不得影响内管热位移 。确定从夹套管的蒸汽入口到凝液排出口的长度是夹套管设计的重要问题 。该长度应根据其内 部流体的要求决定 , 供汽管管径由供汽压力及蒸 汽耗量确定 。蒸汽耗量可按式 (15) 计算 :ig2 = 316 KQ(15)Hv - Hi式中 , g2 为 夹 套 管 蒸 汽 耗 量 , kg/ m1h ; Qi 为夹套管系统总的热量损失或所需热量总和 , W/ m ; K 为热损失附加系数 , 一般取 1115 1125 ; Hv 为饱和蒸汽的焓值 , kJ / kg ; Hi 为饱和水的焓值 , kJ / kg 。对要结晶和聚合的流体 , 夹套管部分长度须 按热损失和加入热量平衡的方法计算 , 也可根据 使用者的长期经验确定 。此外 , 可使用温度调节疏水器决定温度的方法 。调温疏水器的温度设定 范围为 60 190 , 可 根 据 流 体 的 性 状 设 定 温 度 。如液硫的夹套管长度 25 m , 将调温疏水器的 温度设定 125 , 凝结水就会在设定温度下由夹 套管排出 , 那么夹套管温度就不会低于 125 。夹套管敷设 、供汽及排凝应符合下列要求 。(1) 当夹套管要求有坡向时 , 套管内介质流 向应与坡向一致 。(2) 夹套管由高点加汽 , 低点疏水 。所以蒸 汽应由 套 管 上 部 引 入 , 凝 结 水 应 从 套 管 下 部 排出 。供汽管 , 排凝管分别设切断阀 。(3) 夹套管管段间连接的水平跨越管宜在底 部切线方向进出 , 跨越管采用法兰连接 。119 保温如工艺上没有特殊要求 , 管道保温厚度一般 以 “经济厚度”法计算 。如果经济厚度偏小 , 散结语3硫磺回收装置蒸汽夹套管设计是一大难点 ,管系比较复杂 , 涉及的面比较广泛 , 其设计的好 与坏直接影响到装置能否安全 , 长周期运行 。本文仅对设计 、制造及施工中的一些共性问题进行初步探讨 , 而设计中应根据实际情况 , 在遵守相 关标准规范的前提下 , 做到满足工艺要求 , 设备 平面布置合理 , 夹套管选材 、选型合理 , 优化管道规划 , 做到经济 、美观 、安全可靠 , 以满足正 常生产需要 。参 考 文 献1SH/ T3040 - 2002 , 石 油 化 工 管 道 伴 管 和 夹 套 管 设 计 规 范 ,中国石化出版社 , 2003102109热损失导致温降大时 ,算保温厚度 。应按最大允许热量损失计2王怀义 1 蒸汽夹套管的设计与双层管的加工 J术 , 1988 ( 2)1 配管技制作安装(1) 夹套管分段制作 ,2中石化配管设计技术中心站 1 工艺管道安装设计手册 1 中国石化出版社 11997103(修改回稿 2004 - 09 - 12)3以方便运输和安装尺 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005 ,15 (2)1ABS TRAC TS O F CHEM ICAL EN GIN EER IN G D ESI GNKey words dust removal o rganic silico n plant cyclo ne Ven2t uri scrubberABSTRACTSCurrent Situation and Technical Development ofAcryl ic Acid and Acryl ic EsterXue Ho ngqingDesign of Ra in Water Pipel ine in Plant AreaXue Fulian( S heny a n g L i aoz hon g Che m ical W orks , L i aoni n g 110200)This paper int ro duces t he layo ut plan , selectio n of design data and main design step s of rain water piping system of large and medium - scale plant s.Key words rain water piping design requirement s( Chi na Pet roche m ical Grou p Co. 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