高壓加氫反應(yīng)器頂部注硫線(xiàn)管道安裝設(shè)計(jì)優(yōu)化

戰(zhàn)海云

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061)

1 引言

加氫裝置注硫線(xiàn)的主要作用是使加氫反應(yīng)器的器壁發(fā)生鈍化，防止絲狀積碳的生成。因此在新裝置開(kāi)工之前適當(dāng)?shù)膶⒘蛞郊託浞磻?yīng)器里面，抑制加氫反應(yīng)催化劑在反應(yīng)初期因過(guò)度氫解反應(yīng)產(chǎn)生的“飛溫”，注硫可以把催化劑從氧化態(tài)轉(zhuǎn)變成硫化態(tài)，從而可以降低積碳反應(yīng)的程度，改善催化劑的選擇性和穩(wěn)定性，提高它的活性[1]。加氫反應(yīng)器入口管線(xiàn)管徑相對(duì)較細(xì)的線(xiàn)，且溫度與入口管線(xiàn)相差較大，是應(yīng)力分析中的一個(gè)難點(diǎn)。本文利用CAESAR Ⅱ?qū)δ呈?0萬(wàn)t/a精密分餾裝置中的加氫反應(yīng)器頂部注硫化劑管線(xiàn)進(jìn)行應(yīng)力分析探討，得出合理的配管方案。下圖1為加氫反應(yīng)器頂部注硫化劑管線(xiàn)PID圖。

圖1 加氫反應(yīng)器頂部注硫化劑管線(xiàn)PID圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

CAESAR Ⅱ是由美國(guó)COADE公司研制開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)管道應(yīng)力分析軟件，它被廣泛的應(yīng)用于石油、石化、化工、電力、鋼鐵等行業(yè)[2]。管道應(yīng)力分析的主要目的是使管道各處的應(yīng)力水平在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，從而幫助配管設(shè)計(jì)人員對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。在CAESARⅡ軟件里對(duì)注硫管線(xiàn)進(jìn)行建模，需要注硫管線(xiàn)及其主管相關(guān)參數(shù)。數(shù)據(jù)見(jiàn)下表1。

表1 注硫化劑管線(xiàn)及主管相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 應(yīng)力分析

注硫管線(xiàn)的溫度基本屬于常溫或略高于常溫，所以基本上不需要考慮熱漲，但加氫反應(yīng)器入口管道屬于高溫高壓管道，需要注意反應(yīng)器入口管線(xiàn)的柔性，保證注硫線(xiàn)的注入口處二次應(yīng)力不超標(biāo)。利用CAESAR Ⅱ進(jìn)行核算時(shí)需要考慮注硫線(xiàn)的注硫、退硫、操作等三種工況。需要對(duì)以上三種工況進(jìn)行綜合分析，來(lái)考慮反應(yīng)器頂部入口管線(xiàn)的熱脹對(duì)注硫管線(xiàn)的影響。

3.1 初始分析

注硫化劑管線(xiàn)由加氫反應(yīng)器頂部入口管線(xiàn)處接入，閥組支撐在反應(yīng)器框架平臺(tái)上，標(biāo)高為40.3m。初始配管的應(yīng)力模型如下圖2所示。

圖2 硫化劑線(xiàn)初始配管模型

通過(guò)運(yùn)行初始配管模型，生成CAESAR Ⅱ應(yīng)力計(jì)算報(bào)告。報(bào)告顯示：一次應(yīng)力比率最大為59.4%，有空間設(shè)計(jì)支架。但二次應(yīng)力比率最大為205.6%，且該處位于硫化劑線(xiàn)與總管交接處，交接處的熱脹位移為196.592mm。再加上硫化劑管線(xiàn)管徑較細(xì)，直接接入主管，沒(méi)有足夠的管段吸收熱脹，導(dǎo)致了管道整體柔性較差，二次應(yīng)力較大。因此，該處應(yīng)考慮增加硫化劑管道的柔性，配管形式需要進(jìn)一步修改優(yōu)化。

3.2 一次優(yōu)化

為了增加硫化劑管道的柔性，對(duì)配管設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。硫化劑管道由原來(lái)的直接接入設(shè)計(jì)成先繞一圈后再接入主管。優(yōu)化后應(yīng)力模型如圖3所示。

圖3 硫化劑管線(xiàn)第一次優(yōu)化配管模型

運(yùn)行一次優(yōu)化配管模型，生成CAESARⅡ應(yīng)力計(jì)算報(bào)告。報(bào)告顯示：一次應(yīng)力比率最大為59.8%，二次應(yīng)力比率最大為69.5%。通過(guò)改變配管方式后，管道有足夠的柔性。滿(mǎn)足一二次應(yīng)力的需求，各支架點(diǎn)的受力也合理，但是閥門(mén)所占的空間比較大，配管不夠簡(jiǎn)潔。根據(jù)工藝要求，硫化劑線(xiàn)上的止回閥應(yīng)盡量靠近主管。如果遠(yuǎn)離主管，在硫化劑線(xiàn)停用的時(shí)候，仍會(huì)有一段的細(xì)管線(xiàn)里充滿(mǎn)高溫介質(zhì)。因此，該方案還不是最優(yōu)方案，應(yīng)考慮將閥門(mén)集中布置，并且將止回閥靠近主管布置。配管形式還需要再進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 二次優(yōu)化

本次配管是在保留原來(lái)配管方式的同時(shí)，將閘閥集中布置，將止回閥移到入口附近。二次優(yōu)化后的應(yīng)力模型如圖4所示。

圖4 硫化劑管線(xiàn)第二次優(yōu)化配管模型

運(yùn)行二次優(yōu)化配管模型，生成CAESARⅡ應(yīng)力計(jì)算報(bào)告。報(bào)告顯示：一次應(yīng)力比率最大為56.7%，二次應(yīng)力比率最大為70.5%。通過(guò)改變配管方式后，管道的柔性同樣足夠。但由于靠近主管處的熱脹較大，因此需在節(jié)點(diǎn)3011、3017、3027三處設(shè)置彈簧吊架，進(jìn)行支撐。下表2為支架的受力情況。圖5為注硫管線(xiàn)優(yōu)化后的三維立體模型圖。

表2 二次優(yōu)化后各支架節(jié)點(diǎn)熱態(tài)受力及位移

圖5 優(yōu)化后的三維立體模型圖

4 結(jié)論

注硫線(xiàn)的安裝設(shè)計(jì)，需要考慮管道的受力，合理設(shè)計(jì)支吊架，考慮管道的柔性，降低管道的應(yīng)力水平，確保裝置安全可靠運(yùn)行。因此管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

(1)注硫線(xiàn)的安裝位置在加氫反應(yīng)器的頂部入口，該位置的溫度較高，由于熱脹引起的位移量較大，容易造成與其相連的注硫化劑管線(xiàn)柔性不夠，二次應(yīng)力較大，因此需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。

(2)改變管子的走向，增加拐彎，可以增加管線(xiàn)的柔性，減少熱位移對(duì)管系影響。主管線(xiàn)的熱位移越大，對(duì)接入管線(xiàn)的影響越大，需要更大的“π”型彎來(lái)吸收主管熱脹產(chǎn)生的位移量。

(3)靠近主管的管線(xiàn)由于熱脹的影響，無(wú)法設(shè)置普通承重支架，需設(shè)置彈簧吊架進(jìn)行支撐，增加注硫管線(xiàn)的穩(wěn)定性。