夹套管的应用及改进

王宏斌 苏然云 赵秋凤

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 四川凯信达工程设计有限公司, 四川 成都 610095

0 前言

石油化工企业中管道常用伴热的方法维持生产操作及停输期间管内介质的温度[1]。目前采用的伴热方式主要有:蒸汽夹套伴热、蒸汽伴热管伴热、热水伴热管伴热、电伴热。蒸汽夹套伴热因可选温度范围较大、方便获取、伴热效果好,使用较为广泛[2-5]。硫黄回收装置利用H2S,通过克劳斯反应产生单质硫,用来生产优质硫黄。单质硫的黏度和流动性对于介质温度的稳定性要求较高,同时硫黄回收装置中可产生蒸汽。因此,为了维持介质温度,有效利用能源,降低投资成本,可采用蒸汽夹套伴热的方式。伴热运行的好坏直接影响介质的正常流通,甚至影响装置的正常运行[6-14]。本文借鉴已有项目的运行成果,通过设计比对、技术优化,研究出更加符合工艺及项目需求的夹套管设计。

1 夹套管在硫黄回收装置中的应用

1.1 物理特性

单质硫的熔点为112.8 ℃。当介质温度高于此温度时,其物态由固态逐渐转变为液态;相反,当介质温度低于此温度时,其物态由液态逐渐转变为固态,即开始结晶析出。固体硫黄的分子一般为S8,其结构呈马鞍型,当硫黄受热时,分子结构发生变化。当加热到160 ℃时,S8的环状开始破裂为开链,黏度升高;到190 ℃时黏度最大;继续加热到190 ℃以上时,长链开始发生断裂,黏度又重新下降。在130～160 ℃时,液硫的黏度最小,流动性最好[15-17]。硫在不同温度下的黏度[18]见图1。

图1 150～300 ℃硫的黏度图Fig.1 150～300 ℃viscosity diagram of sulfur

1.2 硫黄回收装置伴热需求

硫黄回收装置中过程气、液硫捕集器出口尾气、液硫池出口废气、液硫封进出口液硫中均含有单质硫。过程气基本都处于200 ℃以上或者长期处于高温状态,所以正常情况下不会出现单质硫结晶的现象。但是以上其他介质却有低温的情况,硫单质一旦低于112.8 ℃,则会有晶体产生,堵塞管道,影响装置的正常运行,甚至造成停产,所以对其进行夹套伴热显得尤为重要。

根据硫的物理特性,如要保证介质始终处于流体状态(避免晶体的产生),同时具有良好的流动性,则须将介质温度控制在150 ℃左右[19]。为了维持这个温度,通常采用蒸汽夹套管伴热,伴热蒸汽压力为0.4 MPa。

2 夹套管配套方案选择及存在问题

根据实际需要优化规范及工艺夹套管配套方案,设计、采购时直接选用剖切型的管件,以降低施工难度,推进施工进度。目前，SH/T 3040—2012《石油化工管道伴管及夹套管设计规范》[20]中提供了13种夹套管配套方案,虽满足了工艺需求,但是在实际应用过程中发现有些配套方案不合理,同时影响了施工安装,甚至影响了正常的运行。

现有夹套管配套方案为:1)当夹套管内管公称直径≤200 mm时,内管使用长半径弯头,套管使用短半径弯头;2)当夹套管内管公称直径>200 mm时,内管使用短半径弯头,套管使用短半径弯头。

内管和套管弯头曲率半径见表1。

表1 内管和套管弯头曲率半径表

在实际应用中,发现上述部分夹套管配套方案不合理。当夹套管内管公称直径>200 mm时,若内管使用短半径弯头,弯头处内外管会发生不同程度的碰撞现象,影响施工安装及介质的正常流动,见图2(图中L代表长半径弯头，S代表短半径弯头)。

配套方案DN200×DN250(L×S)DN250×DN350(S×S)DN300×DN400(S×S)DN350×DN400(S×S)DN350×DN450(S×S)碰撞图示

施工过程中因为出现碰撞现象,导致弯头不能安装。须对弯头进行重新采购,但由于内管弯头为抗硫材质,生产及采购周期较长,因此耽误了施工进度,从而影响了项目的整体进度。现场夹套弯头碰撞照片见图3。

图3 现场夹套管内外管弯头碰撞照片Fig.3 Crash of elbow of inner and jacketed pipe on site

3 夹套管设计方案改进

3.1 夹套管配套方案改进

按照HG/T 20592～20635—2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》[21]中夹套法兰的规格型号,包含了DN15/40～DN350/450。而硫黄回收装置中含硫介质在低温状况下存在结晶现象,从而堵塞管道,且管径越小越容易被堵塞,堵塞后很难处理,故应根据项目的实际情况避免使用小口径夹套。夹套的设计及施工都具有较大难度,规格型号的多样化也会给管道设计、材料统计、物资采购等带来困难,所以对规格型号进行合并可以提升效率,同时降低产生错误的概率。

上文已提到的夹套管配套方案碰撞问题,是由于内外管公称直径配套方案不合理、弯头的曲率半径选择不当而造成的。在设计过程中应提前做出正确的配套选择,从而尽量规避后续出现的一系列问题。

综合SH/T 3040—2012《石油化工管道伴管和夹套管设计规范》[20]夹套管配套方案和HG/T 20592～20635—2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》[21]法兰规格型号,对夹套管配套方案进行了改进,见表2。

表2 夹套管配套方案优化表

3.2 蒸汽跨接线方案改进

硫黄回收装置中高温管线的过程气和尾气一般用保温方式保证热量不损失,同时介质一直处于流动状态,管线不会被冻结及结晶。而过程气、尾气上的吹扫介质和置换介质,如氮气、空气等,由于长期处于非流动状态,则容易在与主工艺管线交接点根部阀位置产生冻结的可能,所以需要对根部阀进行夹套伴热。这样的情况比较多,如果都对其一对一的夹套伴热,那么装置区则会因为蒸汽引入线、跨接线等变成蜘蛛网式的布置,影响操作、美观,同时增加了投资成本,见图4。故对蒸汽跨接线方案进行改进，在设计过程中按照区域划分,采用就近原则进行串联伴热,见图5。

图4 独立伴热方案图Fig.4 Independent tracing program

图5 串联伴热方案图Fig.5 Series tracing program

硫黄回收装置中存在同一根管线同时采用两种伴热方式的情况,管线整体采用蒸汽伴热管伴热,管线上的阀门采用蒸汽夹套伴热。如一二级反应器之间过程气连通线、过程气换热器进出口之间连通线,连通线上仅用蒸汽伴热管伴热,而蒸汽伴热管伴热不及蒸汽夹套伴热效率高,为了保证连通线上的阀门能够正常启闭,对阀门采用蒸汽夹套伴热。此时,夹套伴热的蒸汽引入线可利用蒸汽伴热管就近串联,同时利用了蒸汽伴热管的凝液疏水,不再单独增加蒸汽引入及凝液疏水。

4 结论

1)介质伴热有多种方式,但当要求加热均匀、伴热效率较高时,采用夹套伴热具有明显的优势。工程项目中夹套管的设计是一个难点,涉及面较广,设计质量的好坏直接影响项目的整体质量。夹套管设计与装置整体规划、物资采购、施工进度、装置安全稳定运行等息息相关,设计质量的高低关乎项目全局。

2)通过对夹套管配套方案、蒸汽跨接线方案的优化,选择合适的夹套管曲率半径,采用就近原则进行串联夹套伴热,有效解决了项目运行中存在的套管弯头碰撞、跨接线繁杂的问题,而且满足了工艺需求及检维修要求、提升了设计美观度。改进后的夹套管设计方案对提升项目的整体质量、实现较好的经济效益都起到了积极作用。