催化裂化装置烟机入口管道的配管设计

任晓雯

（中国石化集团洛阳石化工程公司配管室，河南 洛阳 471003）

1 概述

催化裂化装置主风机能量回收机组是催化裂化装置的重要组成部分。随着装置的大型化及催化裂化原料的重质化，再生器的温度和压力越来越高，主风机耗功也相应增大，为了充分利用再生烟气的压力能和热焓，对于大中型重油催化裂化装置都采用烟气能量回收系统来补充耗功并发电，供装置内使用或并入电网，从而达到降低装置能耗，节约成本目的。

在催化裂化装置中，由三级旋风分离器，能量回收机组等组成的系统称为烟气能量回收系统，而由烟机、主风机、电动发电机组成的机组则被称为烟气能量回收机组。管道设计专业对能量回收系统的设计，主要包括机组及设备的布置和烟气管道、主风管道、润滑油管道等的设计，而烟气管道的设计在能量回收系统设计中，起着十分重要的作用。烟气管道的设计是否合理，直接影响着烟气轮机的正常运行和使用寿命，本文主要讨论烟气管道的配管设计。

2 烟气管道的设计特点、布置原则及组成

烟气管道的管道直径大，一般为DN800-DN3000；介质（烟气含少量催化剂颗粒）温度高，一般为670℃～750℃；且与之相接的烟机嘴子受力要求又十分严格。此类管道设计条件苛刻，技术含量高，需要考虑的因素多，从而使烟气管道的设计具有一定的难度。因此烟气管道的布置原则为，在保证安全运行的前提下，减少烟气在管道中的温降和压降，以提高能量的回收率，同时尽可能地节省投资。烟气管道主要包括连接再生器、三级旋风分离器、烟机、水封罐和余热锅炉的管道。其中主要设备的布置如图1所示。

图1 烟气管道及设备布置示意图

考虑到烟机操作温度高，转速高，嘴子受力条件要求苛刻，设计难度大，以下仅对烟机的进口管道（三级旋风分离器至烟机管道）设计的具体方法进行一些探讨。

3 三级旋风分离器至烟机入口的管道设计

烟机入口管道的管内介质为高温烟气（其中含 CO、CO2、SO3、H2S等腐蚀介质），其温度高达670℃～750℃，压力为0.3Mpa，管径通常为DN800-DN1600。由于其所处的特殊位置，该管道的设计优劣，直接影响装置的能耗及装置的长、满、优、稳生产，其设计应考虑以下几点：

（1）管道材料必须满足耐高温及防腐蚀的要求；

（2）管系应有足够的柔性，使烟机入口嘴子受力满足要求；

（3）尽量减少材料的数量，节省投资。为了满足以上要求，设计中需采取相应的措施。

3.1 管道材质的选择

为了防止衬里脱落，带进烟机而损坏其动、静叶片，该管道采用热壁管道设计，且对管材的选择具有较高的要求，通常采用耐热不锈钢。下表为常用的三种不锈钢的高温性能数据。节，垂直管道上设两个单式万向型膨胀节，水平管道上设一个单式铰链型膨胀节，对于垂直和水平管道较长，热胀量大的Z型管系，建议采用第一种补偿方式；对于热胀量较小的管系，采用第二种补偿方式较为合适。利用波形补偿器的角变形来吸收管道各个方向的热胀量，由于补偿器的刚度系数很小因此变形后弹性反力也很小。为减少膨胀节的波数和降低热态管道对烟机的推力，在水平和垂直管段上各留一个预拉口进行冷紧，一般为50～100%预拉。

表1 三种常用不锈钢的高温性能

3.2 管道柔性设计

在以往的设计中，管材一般使用1Cr18Ni9Ti，该材质具有较好的抗氧化性及防腐蚀性，材料中由于Ti的存在，具有抗晶间腐蚀的能力（主要指在停工时的露点腐蚀工况下），但Ti又是易被氧化的元素，它的存在将导致材料在高温下机械性能下降，当温度达700℃时，该材质的许用应力仅为13MPa，为此，在满足同样温度要求的情况下，管道壁厚较厚。

0 Cr19Ni9具有较好的机械性能和抗高温氧化、抗腐蚀的性能。当温度达700℃时，该材质的许用应力为27MPa，但焊缝处抗晶间腐蚀的能力较差，在停工状态，易产生露点腐蚀和应力腐蚀开裂。

随着催化裂化装置掺炼重油、减渣比例的提高，原料中硫含量的增加，耐硫腐蚀应引起足够的重视。此外，氯离子腐蚀、露点腐蚀等，都严重影响着烟气管道的使用寿命。为了解决这些问题，设计选用了316H作为该管道的材质。这种材料具有较好的冷热加工性能，焊接性能和抗腐蚀性能，且热敏性低，当温度为700℃时，许用应力为30MPa。

为使烟气管道具有一定柔性，在进行平面布置和管道规划时，应尽量使管系的走向与所有热位移方向位于同一平面，即形成平面管系，但受环境限制，也可设计成立体管系，并将其分解成两个平面管系进行补偿，各设一组三铰链（也可以用一组复式万向型膨胀节进行补偿）。在平面L型管系中，采用一组三个单式铰链型膨胀节，对三维立体Z型布置采用两种方式来吸收热胀：(一)用固定支架在垂直管道上合适的位置将Z型管系分解成两个二维平面"L"型，并在每个"L"型管系中各设一组三个单式铰链型膨胀节；（二）在三维立体Z型管道上设一组单式万向型膨胀

4 设计实例

下面以某炼油厂催化裂化装置的烟机入口管道为例进行详细说明。

如图2所示，该管垂管段较长28575mm，水平管段较短23720mm，且为立体管系，为了减少三旋嘴子的受力，在垂直管道中部设置固定承重支架，将该烟机入口管道分解为两个平面管系，各设一组三个单式铰链型膨胀节（膨胀节1-6），分别进行补偿。

图2 烟机入口管道设计图

为保证烟气均匀地进入烟机，不产生偏流而影响烟机的动平衡，高温蝶阀至烟机入口法兰间的距离≥6DN。

在烟机入口前，应留有短节，以便于烟机的检修，并在烟机入口的附近设一组复式万向膨胀节7，以调节补偿由于烟机基础下沉或管道施工误差而造成的烟机入口法兰与管道法兰的对中偏差，减少烟机入口法兰受力，并在短节处设有恒力弹簧吊架（弹簧吊架6），以减少烟机嘴子的受力。

烟机入口的支架设置也非常重要，由于烟机的机壳为中心支撑，为保证其转子在热态时的水平度，烟机进口管道上的支架也采用中心支撑。故采用了中心支撑的摆式支架和滚动支架的支撑方式，热胀位移过程中可保持管道中心位置不变，且摩擦力最小。如2中摆式支架1和摆式支架2，用以支撑高温蝶阀及管道，同时在两个高温闸阀之间设置两组弹簧吊架（弹簧吊架4，弹簧吊架5）以减少摆式支架的滚动摩擦力，从而减少烟机入口推力。由于烟气入口管道采用三铰链补偿，膨胀节的制造间隙等原因，导致整个管系的侧向不稳定性，在风载荷或其他外力的作用下，管系易产生摆动，从而，对烟机入口产生额外的力。为此在靠近弯头处加合适的导向支架（导向支架1导向支架2），并留有足够的管道径向热膨胀间隙。

为了开机前引入少量的烟气预热烟机，在高温闸阀和高温蝶阀处设旁通线，以方便操作。为减少该管道对烟机入口的影响，该管道应具有良好的柔性，随烟机入口大管道一起移动，为此设置了三个弹簧吊架（弹簧吊架1、弹簧吊架2、弹簧吊架3）来承受该管的荷重。

当烟机检修停运时，高温蝶阀前烟气管道中存积冷能水，氯离子和亚硫酸根离子积聚，腐蚀不锈钢管道和膨胀节，所以在高温闸阀前设置排凝线。

为了防止在暖机过程中出现热拱现象和凝液被高速烟气流携带入烟机，高温两高温蝶阀之间绕度最大处，增设低点排凝。

5 烟机入口管道安装注意事项

（1）水平管段应从烟机入口开始依次向外施工，固定口应选定在远离烟机管口的位置，先安装管道支架，保证管道与烟机连接法兰的良好对中，管道的重量和附加力矩不得作用在烟机上，最后一道焊口远离烟机。

（2）管道组焊之前，对管道和管件内设置临时支撑，以保证其椭圆度要求。

（3）应严格按设计要求留出预拉口，并加临时连接件固定，管道严禁强行组对，待整个管道连接找正后再安装导向支架（导向支架1），并保证导向方向及导向支架预留间隙符合设计要求。

（4）拆除膨胀节的装运螺栓及摆式支架定位销后，再进行管道的预拉组焊，并注意按照设计要求调整摆式支架角度及导向板间隙。

（5）管道施工完毕后，拆除弹簧定位销，并松开烟机入口法兰，检查管道对中情况。

（6）对预拉后安装的支架，管道先做临时支撑，但不得影响预拉对接。

（7）拉伸过程中应不断测量拉伸口的距离，确保管道拉伸均匀，管道预拉要对称用力。

（8）管道施工前，一定要认真核对膨胀节铰链板的安装方位，导向支架和弹簧支吊架的安装方位，一旦方位装错，会导致膨胀节，弹簧或导向支架失效。

结语

本文讨论了大型催化裂化装置中烟机入口管道的配管设计方法，支架设置，施工过程中的注意事项。分析了高温条件下管道强度降低、热变形增大以及腐蚀介质条件下，管道材料的选取、管系柔性设计、管道支吊架和膨胀节的布置等问题。同时，本文还提出了烟气管道安装时应注意的问题，对以后进一步优化大型炼化装置的配管设计有着一定的意义。

[1]陈俊武.催化裂化工艺与工程（第二版）[M].北京：中国石化出版社，2005.

[2]中国石化集团洛阳石油化工工程公司.石油化工设备设计便查手册（第二版）[M].北京：中国石化出版社，2007.