低温甲醇洗塔的配管设计管道选材及应力分析

低温甲醇洗塔的配管设计管道选材及应力分析

王红杰 孟令哲 郭亚男

中国五洲工程设计集团有限公司 北京 100045

摘 要: 本文阐述了低温甲醇洗工序中关键设备的管道设计及有特殊工艺要求管道的配管设计。

关键词：塔的配管设计；有特殊要求的配管设计；管道选材；应力分析

绪 论

煤气化法是我国合成氨的主要制气方法，而低温甲醇洗工艺作为煤化工的一个重要分支在煤化工项目中的应用也越来越广泛。低温甲醇洗工艺是20世纪50年代由德国林德公司和鲁奇公司联合开发的一种气体净化工艺，它是一种物理洗涤法，利用变换气中各组分在低温甲醇中具有不同溶解度的特点，用低温甲醇来吸收变换合成气中的CO2、H2S、COS等气体，从而达到净化合成气的目的。

1 低温甲醇洗塔的配管设计

低温甲醇洗的最关键的设备都是塔，可见甲醇吸收、H2S浓缩、CO2脱除、甲醇热再生、甲醇/水分离都是在塔设备中进行的。低温甲醇洗工艺所用的塔的形式主要是板式塔。塔设备配管设计是否合理直接影响到净化的效果，下面就着重阐述一下低温甲醇洗工艺中塔的配管设计。

塔的管口布置：塔的管道分为配管区和操作区，管道应布置在配管区，人孔、仪表和梯子宜布置在操作区。

工艺物料管口首先应根据塔内件结构特点来确定，为了有效的利用相应的塔盘提高塔盘效率，使流体不偏流或流动分配不均，工艺物料管口多与相应的塔盘降液板呈平行或垂直布置，若无法实现可在保证塔盘效率的前提下适当调整角度；其次应根据管廊的主要位置和与其它相连设备的接管情况确定管口角度范围；最后，在确定两相邻管口之间角度时要注意考虑管道上管架的宽度以及管架的选用荷载，避免管道与相邻管道管架相碰及管架不能支撑所承载的管道。液位计管口不应开设在上层塔盘的降液区，以免受流入液体的影响而影响了计量。同时液位计管口不得位于进料口对面60°角范围内，除非进料口有内挡板保护。压力计管口应开设在汽相区域内，使压力计读数不受液位压头的影响。温度计的测量口一般应开设在液相区域，由于温度计有保护管插入塔内，所以要注意塔内件的结构。人孔宜布置在与塔板降液板平行的塔直径上，条件不允许时可以不平行，但人孔与降液板在水平方向的净距离应大于50mm，以确保不会阻碍进入塔内。同时人孔应位于下方塔盘的塔板上，保证入塔后有落脚点。人孔应尽量布置在同一直线上，使其整齐美观。人孔中心距平台面的高度一般为600mm至1000mm之间，最适宜高度为800mm。人孔转轴的方位应与梯子的设置统一考虑；在事故时，人孔盖顺利关闭的方向与人疏散的方向应一致。

沿塔管道的布置设计应注意的几个方面：

1) 管道从塔的管口出来后应立即向下或向上（这样可以既可以避免管道的浪费又可以很好的做管道的支撑），并沿着与塔体平行的方向布置，塔与管道最外边缘的净距为300mm。

2) 管道布置应从塔顶至塔底自上而下布置，同时应先考虑塔顶和大口径管道的位置及有特殊要求的管道，再布置其他管道，最后考虑的是塔底和小直径管道。

3) 管道应该在满足管道柔性要求的前提下按照它的起止点尽可能短，但必须做到“步步低”，避免气袋和液袋的形成。

2 管道选材

低温甲醇洗工艺中，净化装置中大部分的管道是在低温和常温下运行，这就对材料的选择具有一定的限制，应首先考虑其低温性能，在满足低温性能的基础上，还要考虑湿硫化氢环境下管道的选材。

从工艺流程分析，H2S主要分布在进入甲醇洗涤塔的原料气、吸收了H2S的甲醇溶液、含H2S的酸性气等部位。由于湿硫化氢的存在，可使碳钢和低合金钢引起腐蚀开裂，主要形式有硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)和氢致开裂(HIC) 。SSCC指金属在抗应力和腐蚀共同作用下的开裂，通常发生在高强钢或低合金钢的硬质热影响区。HIC为将金属中不同平面上的临近的氢鼓包连接或连接到金属表面的阶梯内部裂纹。HIC更容易发生，HIC的发生无需外应力，与钢材的质量有关。

3 应力分析

3.1 附塔管线的应力分析

冷区管道多为低温管道，附塔管线的管径较大，对于应力来说是分析的难点。塔的管口在满足与塔盘角度要求的前提下，与之相连的管道走向还要满足应力的许用要求，特别是吸收塔附塔管线，吸收塔塔身较高，附塔管线部分较长，通过应力计算的这部分的低温管道除了第一个承重支架外还需要在合适位置设置弹簧支架，而吸收塔的管口较多，应力管道的支架设置还要考虑与相邻管道的支架相碰问题。综合以上因素，吸收塔的配管要多方面考虑才能符合塔的操作要求和管道应力要求。

3.2 塔与再沸器管道的应力分析

再沸器是安装在塔底用来汽化塔底产物的换热器，通常与塔直接连接，这一般是由于工艺上要求2台设备间的距离最短。在热态下，由于塔与再沸器的材质和温度不同，会在竖直方向和管线轴向方向产生较大的热应力，如果不采取有效的消除措施，可能会使连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备的正常运行。

在现场的施工工程中，塔通常用裙座固定在基础上，而再沸器的支撑形式一般分为两种形式，一种是支撑在结构上，另一种是支撑在塔上。在这里我只论述我参与过的低温甲醇洗项目中采用的支撑在结构上的形式。

经过应力计算给出的消除应力措施是在再沸器的4个支耳处增加聚四氟乙烯垫，将摩擦系数从钢对钢的数值较大降为钢对聚四氟乙烯垫的数值较小，另外将再沸器的支耳处的螺栓孔开成沿管线轴线方向的长圆形孔，也就是允许再沸器在管线轴线方向有一定的位移。此外，我还向应力工程师又请教了关于塔与再沸器的其他消除应力的措施。在再沸器的支耳处设置弹簧支架，通过设定弹簧荷载的办法，使设备管口处的作用力和力矩减小到允许的范围内。

4 结论

在低温甲醇洗的配管设计中，塔作为重要设备存在于整个工艺中，所以塔的配管考虑的因素是比较多的，因此要结合塔内件的结构形式以及工艺的要求等条件下去完成设计；有特殊工艺要求的管道设计要严格满足工艺要求，符合应力的相关要求，尽量做到整齐美观；低温管道在工艺使用条件限定的范围内去选材时需要注意材料的允许使用温度（由于低温管道受设计温度的影响）；特殊介质管道的选材还应考虑消除因特殊介质的存在而使得管道出现腐蚀等影响；应力管道在做管道设计的时候要了解影响应力的因素，在管道设计阶段需要采取有小的措施来保证应力的柔性，减少后续重复的工作；塔与再沸器采用什么形式来支撑，需要根据再沸器和塔的承载能力及应力计算来确定。

参考文献

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[2] 石油化工工艺管道安装设计手册.（第五版）.北京:中国石化出版社,2013.10

[3] 压力管道设计及工程实例.（第二版）北京:化学工业出版社,2012.10

[4] SH/T 3129-2002.加工高硫原油重点装置主要管道设计选材导则(S):2

[5]低温甲醇洗气液两相流管线工程设计.化工设计,2012,22(1):3-5