空分装置高压蒸汽管道在设计中的常见问题分析及改进措施

Analysis of Common Problems in Design of High-Pressure Steam Pipeline of Air Separation Unit and Improvement Measures

亓峰 Feng QI , 王永锋 Yongfeng WANG

北京石油化工工程有限公司西安分公司陕西西安 710075 Beijing Petrochemical Engineering Co., Ltd., Xi′an Branch, Xi′an, Shaanxi 710075, China

摘要：

空分装置中的高压蒸汽管道具有温度和压力高、流速快、危险系数大的特点，与装置的安全运行密切相关。以35 000 m³/h(标态)空分装置为例，分析了高压蒸汽管道在选材、布置、疏水、吹扫等设计方面存在的常见问题，并提出相应的改进措施。

关键词：

空分装置; 高压蒸汽; 蒸汽管道; 常见问题; 改进措施;

Abstract：

The high-pressure steam pipeline in the air separation unit has the characteristics of high temperature and pressure, fast flow rate and large danger coefficient, which is closely related to the safe operation of the unit. Taking 35 000 m³/h (standard state) air separation unit as an example, the common problems of high-pressure steam pipeline in material selection, layout, drainage, purge, etc. are analyzed, and corresponding improvement measures are proposed.

Keyword：

air separation unit; high-pressure steam; steam pipeline; common problem; improvement measure;

近年来，随着市场对空分产品的需求不断增加，空分装置的规模也越来越大。空分装置中的高压蒸汽管道具有温度和压力高、流速快、危险系数大的特点，是全装置中至关重要的管线，与装置的安全运行密切相关。本文以某35 000 m³/h(标态)空分装置为例，就高压蒸汽管道的选材、布置、疏水、吹扫等设计方面存在的常见问题进行分析和探讨。

1 高压蒸汽管道流程

空分装置配置1根来自界区外锅炉装置的高压蒸汽管道，作为装置的高压蒸汽主管，为空分装置运行提供动力。高压蒸汽管道的流程设计应综合考虑施工阶段的吹扫、空分装置运行前期的暖管及试运行过程中可能出现的问题，35 000 m³/h(标态)空分装置高压蒸汽流程如图 1所示。

图 1

35 000 m³/h(标态)空分装置高压蒸汽流程

2 高压蒸汽管道设计中须注意的问题及解决措施

2.1 高压蒸汽管道的选材

35 000 m³/h(标态)空分装置的高压蒸汽参数：设计温度545 ℃，操作温度530 ℃；设计压力10.3 MPa，操作压力9.8 MPa。

目前, 满足上述工况的材质主要有12Cr1MoV和A335P91，这2种材质在上述温度和压力条件下均能平稳运行。12Cr1MoV为国产钢材，执行标准为《高压锅炉用无缝钢管》(GB 5310—2008)。A335P91为美标钢材，执行规范为《高温用无缝铁素体合金钢公称管》(ASME SA335M)。A335P91是美国橡树林国家实验室和美国燃烧工程公司在9Cr-1Mo耐热钢的基础上开发的铁素体型耐热钢，1984年美国ASTM和ASME分别将其列入A335和SA335标准中^[1]。A335P91在高温工况下的力学性能明显优于12Cr1MoV，在保证管道通流能力不变的前提下，可选择壁厚较薄、外径较小的管道，能在更小的空间达到补偿效果^[2]。

以35 000 m³/h(标态)空分装置为例，高压蒸汽主管道公称直径为DN 350 mm，采用12Cr1MoV和A335P91材质的管道壁厚分别为38 mm和22 mm，2种材质的高压蒸汽主管道的对比见表 1。

表 1

2种材质的高压蒸汽主管道的对比

材质	单价/ (元·t^-1)	壁厚/ mm	长度/ m	质量/ t	总价/ 万元
12Cr1MoV	1.77	38	120	35.5	62.9
A335P91	2.57	22	104	21.6	48.1

如表 1所示，采用A335P91制作高压蒸汽管道的成本较低，而且A335P91管道总质量相对较轻，可相应减少土建成本。因此，对于整个空分装置而言，采用A335P91材质制作高压蒸汽管道更加经济合理。

2.2 高压蒸汽管道布置设计中的注意事项

在具体的高压蒸汽管道布置设计中，须综合考虑管道的应力、管廊的布置、疏水位置以及与其他工艺管道和桥架的相互影响等，合理规划并遵循如下原则。

(1) 由于高压蒸汽管道温度较高，管道宜布置在管廊顶层，与其他管道(尤其是低温管道)及桥架应保持合理的净空高度。

(2) 高压蒸汽管道的分支宜从管道顶部接出，如果空间受限，支管也可从主管水平接出，但应避免从管道底部接出。

(3) 高压蒸汽管道上的高压蒸汽切断阀宜布置在压缩机厂房外，其原因是高压蒸汽切断阀的填料函一旦出现损坏，大量蒸汽将从此处泄漏，此时将严重影响工作人员的操作和巡检。

2.3 隔热支架的选用

因碳钢管道只适用于400 ℃以下的工况，所以在早期的空分装置中，管道支架采用与管道材质相同的管托或假腿支架。在35 000 m³/h(标态)空分装置中，高压蒸汽管道的保温层厚度为180 mm，如果采用与管道材质相同的支架，支架高度至少为250 mm。按支架高度250 mm考虑，裸露在外的支架高度为70 mm，通过向周围环境散热，支架底部温度已低于400 ℃，可以支撑在钢结构上，甚至在需要设置固定点的地方，支架可以与钢结构直接焊接，这样就解决了支架安全性的问题，但此种支架会造成大量的热损失。

近年来，随着节能降耗技术的进步和推广，新型的隔热管托逐渐得到了应用。如图 2所示，隔热管托通过保温材料实现了管道与外界环境的隔绝，管托外表面的温度远低于管道表面温度，大幅减少了管道的热损失。在设计过程中，通过隔热管托与其他类型的支架组合，就可以实现导向、止推、四方限位等功能，完全可满足设计要求。在35 000 m³/h(标态)空分装置中，全部选用隔热管架取代普通支架，总计增加建设成本3万元，但可减少热损失，从长远看来，经济效益非常可观。

图 2

传统管托与新型隔热管托对比

2.4 管道疏水注意事项

因高压蒸汽饱和温度为310 ℃，此操作温度下为过热蒸汽，在正常运行情况下只有管道低点有少量冷凝液产生。因此，设计阶段只需考虑吹扫时的排污和疏水以及启动时的疏水，并且因凝结水量较少，就地排放即可。管道疏水在设计中常见的问题说明如下。

(1) 切断阀宜采用闸阀。闸阀的截面与截止阀不同，因吹扫阶段管道内杂质较多，现场吹扫时会出现阀门多次堵塞的现象，尤其是截止阀堵塞较严重。采用闸阀作为切断阀时，若吹扫过程中出现堵塞现象，用木棍敲打即可。采用闸阀后阀门开闭次数较少且设计有双阀，因阀门故障影响空分装置运行的情况不易发生。

(2) 疏水管线温度较高，末端作为自由端容易出现摆动，故应当设置合理的限位支架以加强支撑。

2.5 高压蒸汽吹扫的问题

高压蒸汽与汽轮机连接处可适当增加拆卸法兰。如图 3所示，吹扫时将拆卸法兰后端的管道拆下后旋转180°，末端连接临时管道即可。为确保安全，临时管道末端应设置固定支架。

图 3

高压蒸汽管道增设拆卸法兰

3 结语

高压蒸汽管道与空分装置的经济性、安全性密切相关，针对高压蒸汽管道设计中的常见问题，采取如下措施达到经济、合理、安全的目的。

(1) 高压蒸汽管道材质宜选用A335P91，以减少建设成本。

(2) 管道布置须综合考虑管道的应力、疏水位置、与其他工艺管道和桥架的相互影响。

(3) 高压蒸汽管道宜选用隔热管托，有利于提高经济效益。

(4) 疏水管道宜采用闸阀作为切断阀，而且管道末端应加强支撑。

(5) 高压蒸汽与汽轮机连接处可适当增加拆卸法兰以便于吹扫。

ckwx 参考文献

肖功业, 曹金荣, 何彪, 等.高压蒸汽管道用P91无缝钢管的研究开发及生产[N].世界金属导报, 2011-12-13(19)[2020-04-15].

田忠明, 王伟, 刘恒, 等.大型化工项目高压蒸汽管道配置选型研究[J].能源与环境, 2015, 22(3):37-39.