加氢裂化装置高温高压管道试压盲板核算与安装方法

2022-09-11

一、前言

管道压力试验是管道施工的重要环节。随着工业技术的进步和社会的需求, 炼化项目日渐向大型化方向发展, 高温高压厚壁管道的施工越来越广泛, 试压工作量日益增加。其中试压盲板的选用及安装, 是保证试压工作顺利进行的关键。

四川石化加氢裂化装置高温高压管线 (设计压力≥10MPa) 共90条, 设计压力最高达到22.45MPa, 设计温度最高达到513℃, 试验压力最高达到33.7MPa。在装置高温高压管道试压工作中, 我们主要参照ASME标准:从中核取温度系数;盲板厚度按不同使用方式分插入式或平盖式区别核算, 核算过程中没有按常规取许用应力值, 而是代以屈服强度值的90%。对于高压盲板的安装方法我们也进行了探索与尝试。

二、试验压力的选定

四川石化加氢裂化装置内高温高压管道主要使用ASME A335P11、A335 P22、A106、A312 TP321、A312 TP347等材料, 少量管线为国标20#钢。

根据《GB50235-2010工业金属管道工程施工及验收规范》8.6.4条:

其中:PT——试验压力 (表压) , MPa;

P——设计压力, MPa;

[σ]t——设计温度下材料的许用应力, MPa;

[σ]τ——试验温度下材料的许用应力, MPa。

对于试压温度系数的计算, 国标材料的许用应力值可从《GB50316-2000工业金属管道设计规范》中查取。ASME材料查《ASME B31.3工艺管道》, 其中金属温度为℉时的基本许用应力最低温度给至100℉ (约37.8℃) 。但《GB 150-1998钢制压力容器》中材料不同温度下许用应力对应的温度最低给至20℃, 我们通常考虑的环境温度也多取20℃。装置涉及到的ASME材料在100~200℉范围内许用应力不变或降低很小, 即在100℉左右许用应力比较稳定, 因而[σ]τ按100℉取值。

三、盲板核算

不参与试压的法兰连接的仪表阀、安全阀、设备、管线等需加设盲板进行隔离。依据设计图纸, 均为环槽面 (RJ) 法兰。对于不同形式的盲板, 具有不同的核算方法:

1. 插入式盲板

依据《ASME B31.3工艺管道》304.5.3插板最小厚度核算公式如下:

其中:

tm——盲板计算厚度, mm;

dg——环槽式连接和垫片完全卡住的法兰的垫片平均直径环垫节径) , mm;P——MPa

P——设计压力, MPa;

E——质量系数, 因盲板为整块钢板制作, 取1;

c——机械裕量与腐蚀和磨蚀裕量的总和, 因为临时试压盲板, 不考虑此参数;S——试压温度下材料的许用应力。

2. 平盖式盲板

依据《ASME第VIII卷第1册锅炉与压力容器标准》UG34, 环槽面法兰盖最小厚度核算公式如下:

其中:

t——法兰盖最小厚度, mm;

d——法兰盖计算直径, 取环槽平均直径, 即法兰对应八角垫的节径, mm;C——结构特征系数, 取0.3;

P——设计压力, MPa;

S——试压温度下材料的许用应力

E——质量系数, 因盲板为整块钢板制作, 取1;W——螺栓施加在法兰盖上的载荷, N;

h G——螺栓中心至垫片压紧力作用中心线的径向距离, mm。

对于以上两项公式, 需要补充说明的是:

(1) 由以上两个公式对比可看出, 法兰盖结构特征系数C取0.3, 插入式盲板对应的系数为3/16=0.1875。因此, 在现场安装条件允许的情况下, 优先选用插入式盲板可减小盲板厚度, 降低成本。

(2) 根据《ASME B31.3工艺管道》345.4水压泄漏试验:“如果上述规定试验压力, 在设计温度下会产生公称内压应力或纵向应力超过屈服强度的应力, 则可将试验压力减低到试验温度下不致超过屈服强度的最大压力”。“当试验压力在试验温度下产生超过屈服强度的应力时, 应将试验压力降至不超过屈服强度时的最大压力”。根据《SH3501-2011石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》8.1.6条“计算后的试验压力不得使管道在试验条件下产生的周向应力或轴向应力超过试验温度下材料屈服强度的90%”。

根据查尔斯·贝赫特IV著《工艺管道ASME B31.3应用指南》4.13条:“用于试验目的的盲板并不受这些设计规则 (ASME B31.3304.5.3) 的支配而常设计至较高的许用应力水平 (例如, 达规定最小屈服点的90%) ”。

因此, 对于临时试压盲板, 我们可取材料最小屈服强度值的90%进行强度核算, 从而减少盲板厚度, 降低制造、安拆难度, 节约施工成本。

(3) 对于法兰盖, 当不考虑螺栓预紧力影响, 即W=0时, 公式可简化为:

四、盲板制造

经核算可知, 无论是插入式或平盖式盲板, 当公称直径≤DN100, 试验压力≤40MPa时, 盲板最小厚度均不大于40mm。可选择使用Q235B钢板现场制作。其他较大规格盲板, 即难以获得厚钢板, 又无正式工艺或设备口盲板可以借用时, 应整体锻造。材料根据实际条件可选择20#钢或16Mn钢。鉴于两种材料采购价格相近, 锻件加工费用相同, 优先选用强度性能较好的16Mn钢。对于制造完成的盲板, 使用前表面应进行100%UP或PT检测。

五、盲板安装

在四川石化加氢裂化装置高压管道试压工作中, 我们采用了如下的盲板加设方法:

当试验压力≤16MPa时, 在盲板与法兰间加设1500#石棉橡胶垫。当试验压力>16MPa时, 需加装与法兰对应的八角金属环垫。对于环垫的选用, 根据《SH3403-96管法兰用金属环垫》, 由公称压力及公称直径确定规格尺寸, 由设计温度确定环垫材质。同时规范中也要求:“金属环垫材料硬度值宜比法兰材料硬度低HB30~40”。因此, 在实际试压过程中, 为了在保证良好密封性的同时保护金属环垫不受损伤, 我们在环垫与盲板之间加设了3mm铝板。当由于预紧力而导致密封面变形时, 变形将在铝板表面发生。

插入式盲板安装的技术要点:一是密封面要处理干净, 保证表面平整光滑;二是盲板安装的对中, 即保证盲板中心与法兰中心重合;三是螺栓紧固要匀称, 安装前要将螺栓螺母丝扣处理好, 保证灵活无卡涩, 然后手动拧牢, 再用扳手对称上紧, 最后用敲击扳手紧固。按照上述要领安装的盲板试压过程中没有发生泄漏。实践表明, 安装良好的盲板, 即使不使用力矩扳手或风动扳手, 也能很好地满足使用要求。

法兰盖式盲板的安装要领与插入式盲板类似。现场使用中曾有1块发生泄漏, 该盲板由于采用钢板切割制作, 在打磨钢板表面锈蚀时产生过大的径向磨痕。通过加大螺栓拧紧力的方法消除了泄漏。