裂解炉是乙烯装置中的重要单元设备，该装置内高温高压管道相对集中，这些管道大多为裂解炉区域的关键管道，该部分管道设计的质量直接关系到装置的正常生产运行，是裂解炉区域管道布置设计的关键。
1、裂解炉各管道系统工艺特点
裂解炉按工艺系统可分为物料系统和水汽系统两部分。物料系统包括原料/稀释蒸汽进料、对流段预热、辐射段高温裂解、裂解气急冷等。水汽系统包括锅炉给水进料、汽包、急冷换热器、高压蒸汽过热等。其中高温（横）横管、裂解气管道、焦化气管道、超高压蒸汽管道、升降管等由于操作温度或操作压力较高，是裂解炉管道设计中需要特别关注的管道系统。
裂解炉高温横管又俗称横管，是连接对流段与辐射段的管道，工作温度较高，其工作温度随裂解原料和操作条件不同而不同，约为600℃~650℃（焦烧条件下可达680℃以上）。裂解气管道是指裂解炉急冷锅炉出口至汽油蒸馏塔之间的管道系统，急冷器前温度约为400℃~550℃，急冷器后为210℃~240℃，压力约为0.08MPa，管径通常较大；焦烧气管道仅在在线焦烧条件下使用，管道温度约为350℃~450℃。 超高压蒸汽由裂解炉急冷系统产生，其工作温度约510℃~530℃，压力约11MPa。下降管为汽包至急冷换热器的锅炉给水管道，上升管为急冷换热器返回汽包的饱和蒸汽/水两相介质管道。其工作温度约350℃，工作压力约12MPa。
2.裂解炉高温横管布置设计
高温横管是连接对流段和辐射段的管道，高温横管主要由主管、歧管和支管组成。对流段预热后的烃类和蒸汽混合物经高温横管进入歧管，进入各支管的流量由流量文丘里管控制。支管的另一端接辐射盘管入口。高温横管是裂解炉内温度最高的管道，这部分管道应力比较集中，严重时会造成辐射段炉管严重变形，使辐射炉管局部过热，超过材料的使用温度而引起“蠕变”，降低炉管使用寿命和裂解炉运行周期，对生产造成严重影响。因此，在裂解炉管道设计中，这部分的管道布置和柔性设计非常重要。 高温横管设计需考虑以下因素：
2.1管道布置应满足工艺要求
由于工艺要求进入各根辐射炉管的介质流量基本相同，因此要求从各主管进入各支管的流体压降尽量保持一致。也就是说横管的布置要求对称布置，以保证流体分布均匀，压降满足工艺要求，避免各组管间压差过大。
2.2 横管布置应具有足够的灵活性
由于横管工作温度高，管道热膨胀位移大，对流段炉管、辐射段炉管也有较大的位移，所以横管的布置也必须能吸收对流段、辐射段炉管产生的热位移，减少管口受力。如果柔性不够，产生的热应力也很大，所以合理的布置设计非常关键。必要时可考虑在对流段出口处横管适当位置设置限位支架。
2.3 应力分析及支吊架设置
横管的应力分析应结合对流段管束和辐射炉管进行，充分考虑各种运行工况。计算应力时应考虑不同的辐射炉管型式。管壁的温度分布有很大差异，同一根炉管在不同运行条件下（如裂解初期和终末阶段）的进出口温度也不同。以目前广泛应用的两回程U型炉管为例，在裂解炉运行初期，出口侧管壁温比入口侧管壁温高50℃左右，而在运行终末阶段，两端温差可达80℃。这使得两侧炉管的膨胀程度不同，会造成入口侧炉管被向下拉。如果吊架设置不合理，会造成另一侧炉管弯曲变形，影响炉管的使用寿命。 目前辐射炉管的吊挂系统多采用恒力弹簧吊挂或平衡配重系统。另外，辐射炉管长期在高温环境中运行（最高可达1100℃左右），高温使炉管产生蠕变。由于炉管两侧壁温不同，两侧蠕变量也不同。这种蠕变引起的两侧炉管膨胀量的差异在裂解炉运行2年后会更加明显。因此，在选择弹簧的位移量时应充分考虑。
2.4 其他需要考虑的因素
由于横管在运行过程中热位移较大，因此横管与其他相邻管道、钢结构之间应留有足够的空间，以保证管道在热位移时不与其他管道相碰或限制管道的正常位移。横管的弹簧吊架应能克服足够的水平位移，必要时吊架应偏置安装。另外，横管的布置应满足运行、维护的要求。辐射段炉管入口处管道较多，设备布置也比较集中，例如横管上的压力表、文丘里管前后的压差表、辐射炉管出口温度（COT）等测量元件均布置在此平面上。另外，还应考虑调焦锅炉定期进行水力除焦的空间。这些在横管布置的设计过程中均应充分考虑。
3.裂解气管道布置设计
3.1 裂解气管道布置
裂解炉区设备布置主要分为炉区和炉前管廊两部分。裂解炉沿炉前管廊布置在通道一侧，方便裂解炉的维护和操作。每台裂解炉的裂解气管道以45°角与管廊上的裂解气主管连接。裂解气主管大多根据装置容量和裂解炉台数分为两根主管，这样的布置可以避免一根主管管径过大，管端位移过大。另外，由于裂解气管道中介质含有淬火油、焦炭颗粒等粘稠物质，为避免淬火油、焦炭颗粒在管道上的沉积，保证介质流动的稳定性，要求裂解气管道沿流动方向斜置，一般要求斜率为0.005～0.02。 目前裂解气管道上较常见的油淬火器布置在淬火锅炉出口，各侧淬火锅炉出口管道汇合后进入油淬火器，油淬火器采用立式结构，与淬火锅炉出口连接的裂解气管道设计时钢结构配管支架，通过增加管道的柔性来吸收淬火锅炉喷嘴的初始位移，使之自然补偿。管道布置必须避免连接汽包与淬火锅炉的多条升降管道，同时还必须考虑管道热位移所需的空间。
3.2裂解气阀门及清焦阀门布置
裂解气管道上的裂解气阀门和除焦阀门是裂解炉中最重要的两个阀门，体积较大，是裂解炉区域内最大的阀门，其运行情况直接影响裂解炉的启动。由于管径大，工作温度高，为防止管道变形造成阀体损坏或法兰处泄漏，管道需经过严格的应力分析计算。根据应力计算结果设置合理的支吊架。为保证阀门在各种工况下的受力和扭矩都在制造厂允许的范围内，设计时采用低摩擦刚度和弹簧支吊架。必要时可在阀体底部设置支撑，避免应力集中而损坏阀门或法兰密封面。
在裂解与清焦切换时，为保证安全，防止停炉或结焦时因阀门内漏而使裂解气倒流回炉内，切换操作时必须加装盲板。同时由于管径大，盲板重，在布置时必须充分考虑拆卸、安装盲板所必需的空间和起重设备。
3.3 大型阀门蒸汽吹扫管线设计
由于管道内介质容易结焦，为了防止裂解气阀门、除焦阀门因结焦而降低阀门开关操作性能和密封性，保证阀门的长期稳定运行，阀门供应商在设计时留有多个蒸汽吹扫口，通过引入吹扫蒸汽，既可以防止局部温度过高，又可以防止粘稠的焦炭颗粒凝结，保持阀腔清洁。
裂解气管道温度高，热位移大，裂解气阀门吹扫用的低压蒸汽管道连接在裂解气阀门的蒸汽吹扫口，热位移也较大。配管时尽量做到柔性化，通过自然补偿吸收热位移。合理设置管架，尽量减少对裂解气阀门口的应力影响。
布置吹扫蒸汽管道时，一定要注意不要影响大阀门的检修操作，并留有足够的更换盲板的空间。避免将吹扫管道布置在阀门周围，将阀门包围起来。
3.4 裂解气管道应力分析及管架设计
裂解气管道工艺复杂、温度高，操作工况多种，同时焦炭烧成管道通过焦炭烧成阀直接与裂解气管道相连，因此应力分析应计算裂解气管道系统和清焦管道系统的整体应力。分析时应充分考虑各种工况，如操作工况、焦炭烧成工况、热备工况等，且同一工况下操作初期和末期也有差异。对于双炉，还应考虑两侧不同工况的组合。
由于裂解炉管道直径大、单位重量大，应采用低摩擦的支架或吊架，以减少设备管口受力和摩擦产生的反力。水平摩擦过大将直接影响钢结构材料的选择，增加钢结构投资。对于大直径裂解气管道，为防止管道支架与管道焊接处产生应力集中，常采用马鞍形支架与低摩擦滑道组合使用，使管壁应力均匀分布，防止管道因旋转而产生力和扭矩。
4 超高压蒸汽管道的配管设计
4.1超高压蒸汽管道特点
超高压蒸汽是乙烯裂解炉的副产品，管道设计温度约520℃，设计压力约11MPa，管道壁厚较大，管道材料多采用耐高温铬钼钢，与其他耐高温材料相比，铬钼钢具有热膨胀系数小、热导率大、屈服点高的优点。
4.2超高压蒸汽管道布置设计
急冷系统产生的饱和高压蒸汽(温度约325℃，压力约11MPa)随后进入裂解炉对流段高压蒸汽过热段，过热至520℃～525℃后汇入超高压蒸汽管网。超高压蒸汽管道温度高、压力大，热位移大，设计时必须充分考虑管道的热补偿。由于管道受温度、压力限制，普通补偿器难以满足设计要求，因此采用自然补偿的方法增加管道的柔性，吸收热位移是设计时首要考虑的问题。另外，由于管道热位移较大，在布置管道时，应考虑其与周围管道设备留有足够的间隙，避免运行过程中因热位移而发生碰撞。
注：TLE淬火余热锅炉（Transfer Line Exchanger）
4.3 超高压蒸汽管道的支撑设计
首先应力工程师应与管道工程师配合确定合适的管道支吊架位置和类型。由于管道温度较高，设计时应选用耐高温隔热管道支架，防止管道高温通过普通刚性支架传递到钢结构上钢结构配管支架，造成管道支架附近钢结构强度降低，造成安全隐患。另外由于管道壁厚、重量大，为减少管道支架直接对钢结构产生的摩擦力，常采用管道支架下带滑板的低摩擦管架。使用吊架时应注意吊架两端应铰接，吊架应有足够的长度；应考虑管道热位移引起的吊架偏移量。一般刚性吊架允许偏移角不超过3°，弹簧吊架允许偏移角不超过4°。 若有必要，安装吊架时可考虑采用偏置安装，以保证吊架的偏置角度在允许范围内。
5 其他渠道
5.1 上升管和下降管
上升管、下降管是指汽包与急冷锅炉之间的管路。锅炉给水经下降管经汽包进入急冷换热器，与来自辐射室的高温裂解气进行热交换，使裂解气迅速冷却。同时，夹套内的锅炉给水变成饱和蒸汽，经上升管返回汽包。该管路的设计温度约为325℃，设计压力约为11MPa。由于与汽包、急冷锅炉相连的管口受力、扭矩要求比较严格，因此在管路布置中对柔性要求特别高。在应力分析计算时应将急冷系统作为一个整体考虑，合理设置汽包固定端。由于急冷锅炉出口与汽包管口的垂直距离较小，因此在布置上升管时应充分利用水平空间，保证管路的柔性。 下降管急冷锅进口与锅筒出口之间的垂直空间较大，布置管道时应充分利用垂直空间。上升管、下降管位移较大，通常采用弹簧支吊架支撑。
5.2 燃气管线烧毁
裂解炉在裂解熄焦过程中，内部的裂解产物在高温作用下发生二次反应，产生过度裂解，生成焦油，形成焦炭，并堆积在炉管内壁和熄焦锅炉换热管上。随着运行时间的增加，结焦量不断增加，形成坚硬的环状焦层，使炉管内径变小，阻力增大，进料压力增大。另外，由于焦炭层的导热系数比炉管低，在有焦炭层的地方，局部热阻大，导致管子外壁温度升高，不仅增加燃料消耗，而且影响炉管寿命。因此，当炉管结焦到一定程度时，应进行除焦。目前，常用的除焦工艺是蒸汽-空气除焦法进行除焦。 除焦后的焦气经除焦阀送至除焦罐或返回辐射室，在辐射室中焦炭颗粒被燃烧，以减少后续处理。
由于焦化管道与裂解气管道相通，布置设计时应与裂解气管道一并考虑，应力计算也应作为一个系统进行。另外，由于裂解气阀门与清焦阀门布置较近，布置管径时应充分考虑阀门及盲板切换操作的空间。在焦化工况下，管道的工作温度约为320℃～420℃，管道设计时除应遵循高温管道的一般原则外，还应注意管道材质的选择。由于焦化过程中脱除的部分焦炭颗粒在管道上，特别是在弯头处，被高温焦炭气冲刷，使该部位的管道及管件壁厚增厚。也有用管帽代替弯头的三通，使焦炭颗粒积聚在管帽处，从而减少对管壁的磨损。 另外，当采用将焦炭气返回裂解炉辐射室的炼焦工艺时，也应考虑焦炭气管道对称布置，以保证进入辐射室的焦炭气分布均匀。
炼焦过程大致如下：裂解炉处于炼焦状态时，需要关闭裂解气阀门，打开清焦阀门。焦气通过清焦阀门进入清焦罐，在罐内进行旋风分离，分离出大部分焦粉颗粒。旋风分离后的焦气有两种处理工艺：一种是打开焦气放空电动阀，关闭焦气回炉电动阀，将焦气直接排入大气；另一种是打开焦气回炉电动阀，关闭焦气放空电动阀，打开焦气回炉工艺，焦气进入裂解炉进行二次燃烧。 每座炉有2排回炉管道，每排有8根DN200mm管道，单座炉共有16根回炉管道，每根管道上均设有“8”字盲板。
六，结论
上述各组管道均为裂解炉装置区内的重要管道，其管道设计的好坏直接影响裂解炉的运行。在国内外裂解炉装置运行中，经常出现问题的管道基本都是这几组管道，因此应特别重视裂解炉的管道设计。在满足工艺要求和操作、检查、维护的前提下，合理布置管道走向，制定满足管道应力要求的设计方案，是裂解炉管道设计的关键。
