柴油加氫裝置高壓換熱器管線的設(shè)計(jì)分析

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的嚴(yán)格要求，煉油行業(yè)對(duì)油品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，在這個(gè)過(guò)程中，關(guān)乎柴油產(chǎn)品質(zhì)量的柴油加氫裝置顯得尤為重要。柴油加氫一般采用固定床催化工藝，原料油和氫氣在催化劑的作用下進(jìn)行反應(yīng)，用于脫除油品中硫、氮、氧雜原子及金屬雜質(zhì)，同時(shí)，一部分不飽和烴得到加氫飽和，從而改進(jìn)油品的質(zhì)量，生產(chǎn)出安定性和燃燒性較好的產(chǎn)品[1]。

在柴油加氫裝置中，管道設(shè)計(jì)溫度最高可達(dá)435℃，設(shè)計(jì)壓力可達(dá)9.5MPa，管道位移量和熱應(yīng)力非常大，許多管道又是臨氫管道，對(duì)管線易產(chǎn)生氫腐蝕，這些苛刻的條件增加了管道選材和管道布置的難度。

柴油加氫裝置反應(yīng)部分的主要管道有：反應(yīng)器進(jìn)出口管道、高壓換熱器進(jìn)出口管道、加熱爐進(jìn)出口管道、高壓空冷器進(jìn)出口管道等。其中高壓換熱器管線作為反應(yīng)換熱的重要部分，其設(shè)計(jì)習(xí)慣和方法不同于常規(guī)換熱器，本文結(jié)合某煉油廠的柴油加氫裝置，就高換管線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及要注意的問(wèn)題作簡(jiǎn)要探討分析。

1 高壓換熱器的平面布置

冷換設(shè)備布置時(shí)，首先要滿足GB50160-2008和SH3011-2011對(duì)防火間距的要求，其次冷換設(shè)備宜采用按流程順序布置、有關(guān)設(shè)備相鄰布置或同類(lèi)設(shè)備集中布置的原則[2]。此裝置共有五臺(tái)高壓換熱器，緊湊布置在反應(yīng)構(gòu)架西側(cè)，方便反應(yīng)器和高壓換熱器間反應(yīng)流出物管線的布置。

五臺(tái)高壓換熱器均布置在地面上，按管箱端支座基礎(chǔ)中心線對(duì)齊，為了節(jié)省占地面積，結(jié)合工藝流程要求，將其中兩臺(tái)重疊布置，由于換熱器之間的凈距要求不宜小于0.8 m，此處結(jié)合配管方案和閥門(mén)操作要求，各換熱器間距適當(dāng)加大，具體布置見(jiàn)圖1。另外為了檢修時(shí)利于抽出管束，冷換設(shè)備管箱端應(yīng)留檢修空地，空地大小為沿設(shè)備軸線方向從管箱端算起管束長(zhǎng)加1.5 m。

在布置時(shí)，有軌道的高壓換熱器應(yīng)注意軌道長(zhǎng)度，留足殼體抽出空間，同時(shí)防止與其它結(jié)構(gòu)柱子相碰。

圖1 高壓換熱器的平面布置圖

2 管道布置

高壓換熱器的管道布置應(yīng)符合SH3012-2011 《石油化工管道布置設(shè)計(jì)通則》的要求，在滿足工藝流程的條件下，布置應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、整齊美觀，滿足施工、操作、維修等方面的要求[2-4]。管道布置宜做到“步步高”或“步步低”，減少“氣袋”或“液袋”，否則，應(yīng)根據(jù)操作、檢修要求設(shè)置放空或放凈。管道布置應(yīng)使管道系統(tǒng)具有必要的柔性，在應(yīng)力允許范圍內(nèi)，力求管道最短，彎頭最少，盡量減少管道壓降，同時(shí)節(jié)省投資。

高壓換熱器管線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意冷熱物流的流向，為使換熱經(jīng)濟(jì)合理，采用逆流傳熱，在管道布置中應(yīng)使加熱介質(zhì)(冷流)自下而上流動(dòng)，被冷卻介質(zhì)(熱流)自上而下流動(dòng)。為方便檢修，換熱器進(jìn)出口管道及閥門(mén)均應(yīng)與設(shè)備頭蓋法蘭保持一定距離，并以方便拆卸螺栓為原則，一般靜距300 mm為宜。管程進(jìn)出口管道布置應(yīng)考慮管箱檢修方便，管道不應(yīng)布置在管箱上方妨礙檢修,且宜加一對(duì)法蘭以便拆卸，不拆卸部分管道應(yīng)設(shè)永久性支架[2]。

高壓換熱器基礎(chǔ)高度的設(shè)計(jì)應(yīng)以保證設(shè)備下部嘴子接出管的管底距地坪或平臺(tái)凈空不小于250 mm為原則，當(dāng)管底有放凈閥時(shí)，放凈閥至地坪或平臺(tái)至少應(yīng)有200 mm凈空。管道上各種儀表(如壓力計(jì)、溫度計(jì)、孔板等)的安裝應(yīng)選擇合理的位置，使測(cè)量具有代表性，且應(yīng)設(shè)在主要操作通道及易于觀測(cè)和檢修的位置。高壓換熱器地面宜加圍堰，圍堰內(nèi)地面應(yīng)以3‰～5‰的坡度坡向地漏，靠管箱端宜設(shè)排水溝，圍堰應(yīng)比圍堰內(nèi)地面高150 mm[2]。

3 管道補(bǔ)償及應(yīng)力分析

由于連接高壓換熱器的管道溫度都比較高，配管形狀應(yīng)該有足夠自行補(bǔ)償能力，不應(yīng)使換熱器管嘴承受過(guò)大的力和力矩。此類(lèi)管道均需要進(jìn)行應(yīng)力分析，以確定管道走向是否合理。

管道應(yīng)力分為一次和二次應(yīng)力[5]。一次應(yīng)力是由于壓力、重力和其它外力載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。一次應(yīng)力是非自限性的，應(yīng)力隨著載荷的增加而增加，在管系的應(yīng)力分析中，首先應(yīng)使一次應(yīng)力滿足許用應(yīng)力值。二次應(yīng)力是由管道熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移荷載的作用引起。二次應(yīng)力具有自限性，引起的主要是疲勞破壞。對(duì)于二次應(yīng)力，不超過(guò)熱脹許用應(yīng)力范圍，管道則認(rèn)為是可靠的。

下面選取高壓換熱器管線其中的一條，利用CAESARII軟件對(duì)兩種不同配管方案的一次、二次應(yīng)力進(jìn)行分析。

圖2 管線走向“Z”形布置(方案一)

圖3 管線走向增加Π形布置(方案二)

方案一(見(jiàn)圖2)管線走向按“Z”形布置，在換熱器管嘴附近設(shè)置支架，用以支撐管道重量，減少管道熱脹時(shí)附加在管嘴上的力和力矩。由于高壓換熱器運(yùn)行時(shí)熱脹，管道隨設(shè)備嘴子在垂直方向上會(huì)有位移變化，為了防止支承點(diǎn)處的位移變化引起荷載轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致嘴子受力過(guò)大，支架的形式選為彈簧。方案二(見(jiàn)圖3)為了增加管道柔性，管道走向增加了Π形，以利用管道自身補(bǔ)償吸收其熱脹和端點(diǎn)位移，減少嘴子處受力和力矩。新增的Π形處設(shè)置四個(gè)彈簧支架用于支撐管道，防止管線脫空，避免與管線連接的上部管嘴受力過(guò)大。

表1 方案一應(yīng)力分析結(jié)果

表2 方案二應(yīng)力分析結(jié)果

從應(yīng)力結(jié)果(表1、2)可以看出，方案一和方案二的一次應(yīng)力最大值均在彈簧支架處，其值非常接近。而比較二次應(yīng)力最大值的結(jié)果，方案二明顯小于方案一，這說(shuō)明方案二中管線增加了Π形后，管線柔性更好，依靠自身補(bǔ)償吸收了部分熱脹和端點(diǎn)位移，受力變得更小。

表3 方案一 Node 10嘴子受力結(jié)果

表4 方案二Node 10嘴子受力結(jié)果

表5 方案一Node 260嘴子受力結(jié)果

表6 方案二Node 260嘴子受力結(jié)果

從嘴子受力結(jié)果(表3～6)可以看出，對(duì)于NODE 10，除了FY外，方案二嘴子受力和力矩值均明顯要小于方案一，Z向受力和X向力矩縮小近18倍，F(xiàn)Y變大是由于方案二中立管長(zhǎng)度稍大于方案一。對(duì)于NODE 260，嘴子受力和力矩變化沒(méi)有NODE 10明顯，F(xiàn)Z、MX 、MY變小，F(xiàn)X、FY、MZ略有增加，此點(diǎn)兩種方案受力效果差不多。從總體來(lái)看，由于Π形彎離NODE 10更近，改善NODE 10的受力更明顯一些。

綜合一次二次應(yīng)力和嘴子受力結(jié)果，最終選擇柔性更好的方案二進(jìn)行高壓換熱器管線的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

高壓換熱作為反應(yīng)流出物和反應(yīng)進(jìn)料換熱的主要部分，其管線的可靠性關(guān)系到裝置的正常穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮管道的各項(xiàng)因素，做到既能滿足工藝要求，又要保證管道的本質(zhì)安全。在前人的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，多思考，多總結(jié)，掌握管道設(shè)計(jì)的規(guī)律和要求，努力做到管道設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、整齊美觀，為裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。