淺談渣油加氫裝置加氫反應(yīng)器入口管道的應(yīng)力分析

尹君東

(中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071)

1 引言

渣油加氫裝置是煉油廠中重要的渣油加工裝置，可以有效脫除渣油中的金屬、硫、氮以及殘?zhí)嫉入s質(zhì)。隨著原油的劣質(zhì)化程度的提高和日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)的施行，更加凸顯其重要性。渣油加氫反應(yīng)器是渣油加氫裝置的關(guān)鍵核心設(shè)備，其工作條件十分嚴(yán)苛，具有高溫(設(shè)計溫度454℃)、高壓(設(shè)計壓力19.11MPa)、臨氫和臨硫化氫等特點(diǎn)，相應(yīng)的與其相連接的管道在渣油加氫裝置中至關(guān)重要。本文結(jié)合某套已經(jīng)建成投產(chǎn)的渣油加氫裝置對渣油加氫裝置第一反應(yīng)器入口管道的設(shè)計和應(yīng)力分析進(jìn)行簡單的討論。

2 第一反應(yīng)器進(jìn)口管道的特點(diǎn)

第一反應(yīng)器的入口管道是從反應(yīng)進(jìn)料加熱爐輻射排管出口到第一反應(yīng)器的入口，其設(shè)計條件如下：設(shè)計溫度415℃，設(shè)計壓力19.11MPa，操作溫度395℃，操作壓力18.2MPa，管道材質(zhì)為ASTM A376 TP321，管道直徑和壁厚分別為219.1mmX28mm和323.8mmX38mm。從以上參數(shù)可以看出管道的計算溫度很高，壓力也很高，管道為厚壁管道，而且不銹鋼材質(zhì)的線膨脹系數(shù)較大，所以本管系的剛度會比較大，柔性比較差。本管系的應(yīng)力分析結(jié)果中，要考核的結(jié)果有管道的一次應(yīng)力，二次應(yīng)力，管道的熱位移，第一反應(yīng)器入口的法蘭受力，反應(yīng)進(jìn)料加熱爐輻射排管出口的管嘴受力等，這些計算結(jié)果都要滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。其中難點(diǎn)是第一反應(yīng)器入口的法蘭受力要滿足設(shè)備專業(yè)的要求，反應(yīng)進(jìn)料加熱爐輻射排管出口的受力要滿足《SH/T 3036 一般煉油裝置用火焰加熱爐》里面規(guī)定的加熱爐管口的受力要求。由于《SH/T 3036 一般煉油裝置用火焰加熱爐》里面規(guī)定的加熱爐管口的受力只與管口的公稱直徑有關(guān)，因此對于厚壁的管系作用在加熱爐管口的載荷會比較大，所以管道應(yīng)力專業(yè)應(yīng)該與加熱爐專業(yè)協(xié)商適當(dāng)放寬對于加熱爐管口的受力限制。第一反應(yīng)器入口的法蘭受力，由于其壓力等級很高，所以能夠承重的荷載也比較大，一般都可以校核通過。

本管系的管道應(yīng)力計算采用的計算軟件是CAESAR II 。在模擬本管系時應(yīng)該注意事項(xiàng)有：

(1)根據(jù)爐管的結(jié)構(gòu)形式準(zhǔn)確模擬爐管，爐管的結(jié)構(gòu)形式直接影響工藝管道的布置和支撐形式。

(2)要考慮燒焦線對加熱爐管嘴受力的影響，盡可能詳細(xì)模擬。

(3)本管系的介質(zhì)是氣液兩相流，因此在設(shè)計時應(yīng)該考慮一定的防振措施。

(4)由于本管系的溫度很高，應(yīng)該考慮支架處的摩擦力對管系的影響，支架處的水平位移都比較大，設(shè)計支架和管托時要注意。

(5)在靠近反應(yīng)器入口的位置，應(yīng)該考慮設(shè)置剛性承重支架以方便管道檢修。

3 第一反應(yīng)器進(jìn)口管道的計算

下面通過幾個布置和計算方案的對比來討論該管系的應(yīng)力分析思路。

(1)布置方案1，如圖1所示。從圖1中可以看出該方案布置簡潔，管道拐彎較少，節(jié)省管道和管件，整個管系的固有頻率較高，剛度較大，管道振動的概率較小。

圖1 布置方案1

方案1中爐子管嘴(10點(diǎn)、210點(diǎn))和反應(yīng)器入口管嘴(460點(diǎn))的受力見表1。

表1 布置方案1中爐子管嘴(10點(diǎn)、210點(diǎn))和反應(yīng)器入口管嘴(460點(diǎn))的受力

從表1中我們可以看到在管道按照圖1的方案布置時，加熱爐出口管嘴在爐管軸向方向的受力(10點(diǎn)和210點(diǎn)在X方向的受力FX)顯然已經(jīng)超出《SH/T 3036 一般煉油裝置用火焰加熱爐》里面規(guī)定的加熱爐管口的受力要求太多，加熱爐很難承受。反應(yīng)器入口管嘴(460點(diǎn))受力較小可以滿足要求。

(2)布置方案2，如圖2所示。從圖2中可以看出相比較方案1，方案2在加熱爐和第一反應(yīng)器之間增加了一個U型彎，管道的柔性增大，相應(yīng)管道的剛度下降了，因此要考慮增加適當(dāng)?shù)姆勒翊胧?/p>

圖2 布置方案2

方案2中爐子管嘴(10點(diǎn)、210點(diǎn))和反應(yīng)器入口管嘴(460點(diǎn))的受力見表2。

表2 方案2中爐子管嘴(10點(diǎn)、210點(diǎn))和反應(yīng)器入口管嘴(460點(diǎn))的受力

從表2中我們可以看到在管道按照圖2的方案布置時，加熱爐出口管嘴(10點(diǎn)和210點(diǎn))受力滿足《SH/T 3036 一般煉油裝置用火焰加熱爐》里面規(guī)定的加熱爐管口的受力要求，校核通過。反應(yīng)器入口管嘴(460點(diǎn))受力較小可以滿足要求。

4 結(jié)束語

本文分析了渣油加氫裝置中第一反應(yīng)器入口管線的工藝特點(diǎn)、應(yīng)力計算的注意事項(xiàng)，并且通過具體的工程實(shí)例分析了加熱爐管嘴和反應(yīng)器管嘴受力情況。我們可以得出一些經(jīng)驗(yàn)即渣油加氫裝置加氫反應(yīng)器入口管道的應(yīng)力計算要在管道的整體剛度和設(shè)備管嘴受力之間取得很好的平衡。