加氫裝置高壓管道配管設(shè)計(jì)分析

李翔 盧毅（浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州310002）

0 引言

加氫裝置高壓管道配管應(yīng)用在高溫環(huán)境中，長(zhǎng)期受到高溫、高壓以及腐蝕介質(zhì)的影響，很容易產(chǎn)生燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，致使加氫裝置及設(shè)備面臨著腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，合理設(shè)計(jì)高壓管道配管，致力于滿足加氫裝置的使用，促使高壓管道配管設(shè)計(jì)能夠承受加氫工藝的運(yùn)行壓力。

1 高溫高壓管道配管設(shè)計(jì)

加氫裝置高溫高壓管道配管連接著高溫高壓設(shè)備，如加熱爐、加氫反應(yīng)器等，高溫高壓管道配管的管道壁比較后，材料性能高，當(dāng)加氫工藝中高溫高壓設(shè)備的溫度升高以后，設(shè)備自身會(huì)有膨脹的表現(xiàn)，這時(shí)管道會(huì)承受著一些應(yīng)力，這就要求配管設(shè)計(jì)中考慮應(yīng)力的影響。從以下5個(gè)方面分析加氫裝置中高溫高壓管道的配管設(shè)計(jì)，如下：

1.1 加熱爐入口管道的配管設(shè)計(jì)

加氫裝置工藝中，反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐入口管道位置設(shè)計(jì)了配管，石油的原油在反應(yīng)進(jìn)料泵的加壓作用下加入氫氣，利用高壓換熱器換熱處理以后，輸出高溫高壓狀態(tài)的混輕油，再在兩路下輸送到加熱爐內(nèi)，管道中流動(dòng)的介質(zhì)是汽液兩相狀態(tài)，容易產(chǎn)生振動(dòng)問題，這就要求在加熱爐的入口位置設(shè)計(jì)一段直管段的配管，促使汽相和液相的介質(zhì)可以混合起來，避免產(chǎn)生振動(dòng)影響，為了實(shí)現(xiàn)加熱爐內(nèi)介質(zhì)的均勻性就要均勻設(shè)計(jì)直管段配管。比如某石油工廠的加氫裝置中，加熱爐入口管道配管設(shè)計(jì)中使用了DN300管道，該管道材質(zhì)為321SS，溫度是352℃，壓力是12.7MPa，在工藝入口位置根據(jù)水平直管段和立管直管段專門設(shè)計(jì)了一段配管，配管連接著加熱爐入口的兩個(gè)對(duì)稱的管道，待介質(zhì)充分混合之后再輸送到加熱爐內(nèi)。

1.2 入反應(yīng)器出加熱爐的配管設(shè)計(jì)

加氫裝置高溫高壓管道配管設(shè)計(jì)中，從加熱爐出來再進(jìn)入到反應(yīng)器的過程中需設(shè)計(jì)一段配管，加氫反應(yīng)器中進(jìn)入的是混氫油氣，出口對(duì)稱設(shè)置了出口支管，加氫反應(yīng)器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固定到地面上，同時(shí)設(shè)計(jì)了框架保護(hù)，支架固定到框架上，介質(zhì)在反應(yīng)器中的溫度很高，反應(yīng)器會(huì)在高溫的作用下產(chǎn)生非常大的熱膨脹，反應(yīng)器和管道連接，熱膨脹也會(huì)影響管道的設(shè)計(jì)和使用。加熱爐出來的管道再接入反應(yīng)器時(shí)，整個(gè)管道中的溫度約380℃左右，壓力15.2MPa，可以把配管設(shè)計(jì)成彎曲狀態(tài)，彎曲的配管可以補(bǔ)償管道受熱后產(chǎn)生的熱應(yīng)力。配管設(shè)計(jì)中管道支架是較為重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容，建議采用彈簧支架、導(dǎo)向支架或者普通承重支架。支架位置要合理設(shè)計(jì)，這樣才能排除支架自身對(duì)配管的設(shè)計(jì)影響。

1.3 急冷氫管道中的配管設(shè)計(jì)

急冷氫管道用于向催化劑床層注入急冷氫，以便控制反應(yīng)器中催化劑床層的實(shí)際溫度，急冷氫的溫度是70℃左右，反應(yīng)器的溫度基本都在400℃左右，如果加氫工藝中反應(yīng)器出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)象，急冷氫管道就會(huì)有明顯的上移現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)急冷氫管道中的配管時(shí)要做到柔性設(shè)計(jì)，配管和急冷氫裝置上層梁平臺(tái)中需要留出可用的空間，避免有回閥的情況。單向閥要靠近反應(yīng)器安裝，調(diào)節(jié)閥需布置在落地位置，這樣方便應(yīng)急操作，避免出現(xiàn)支架脫空的情況。急冷氫管道配管設(shè)計(jì)中還需增加彎管設(shè)計(jì)，彎管上要設(shè)計(jì)彈簧支架。急冷氫管道配管設(shè)計(jì)時(shí)選擇材質(zhì)為321SS 的DN100 管道，溫度150℃/73℃，操作壓力13MPa，彈簧支架設(shè)計(jì)時(shí)參考配管設(shè)計(jì)中的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

1.4 反應(yīng)器到高壓換熱器管道的配管設(shè)計(jì)

加氫裝置高溫高壓管道配管設(shè)計(jì)中，反應(yīng)器到高壓換熱器管道之間的配管需以實(shí)際情況為主，一般情況下反應(yīng)器和高壓換熱器的距離比較近，反應(yīng)器出口管道的溫度約400℃，配管設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮熱膨脹的影響，使用DN400 管道，操作溫度為300℃，操作壓力是11.4MPa，配管的長(zhǎng)度要參考應(yīng)力計(jì)算數(shù)值，計(jì)算出配管的長(zhǎng)度之后再安排使用。

1.5 高壓換熱器配管設(shè)計(jì)

高壓換熱器的配管設(shè)計(jì)中，要考慮高壓換熱器管道熱膨脹的影響，高壓換熱器管道熱膨脹會(huì)有明顯的作用力，這部分作用力沖擊著高壓換熱器，主要是因?yàn)槌休d介質(zhì)的溫度偏高，致使管道產(chǎn)生了較大的膨脹量，再加上換熱器內(nèi)的空間偏小，無法調(diào)整管道的走向，這時(shí)就要設(shè)計(jì)配管，配管設(shè)計(jì)中分析管道應(yīng)力，利用配管吸收換熱器運(yùn)行中的熱膨脹影響，以免管道設(shè)計(jì)中有較高的作用力。高壓換熱器配管設(shè)計(jì)上選擇DN400 管道，321SS材質(zhì)，操作溫度281℃，操作壓力11.2MPa，配管設(shè)計(jì)中加裝了彈簧，利用彈簧承載換熱器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的作用力。

2 常溫高壓管道配管設(shè)計(jì)

冷高壓分離器設(shè)備和循環(huán)氫脫硫塔的工作環(huán)境中，溫度范圍在50～60℃之間，加氫裝置上配置有框架，框架上安裝了梯子平臺(tái)以及附屬管道的支架，冷高壓分離器設(shè)備以及循環(huán)氫脫硫塔設(shè)備上配有角式的調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥發(fā)揮著降壓的作用，當(dāng)冷高壓分離器以及循環(huán)氫脫硫塔中的介質(zhì)被角式調(diào)節(jié)閥處理后，壓力降低后出現(xiàn)了氣體閃蒸的現(xiàn)象，促使介質(zhì)變?yōu)閮煞N狀態(tài)，也就是液態(tài)和氣態(tài)，因此要在調(diào)節(jié)閥位置設(shè)計(jì)配管，可以采用直管設(shè)計(jì)的方法，管徑長(zhǎng)度不低于10～15 倍，以此來實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)管道中的介質(zhì)，開啟調(diào)節(jié)閥以后，連接調(diào)節(jié)閥的管道就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)的現(xiàn)象，還需對(duì)管道設(shè)計(jì)卡箍型支架，提高配管設(shè)計(jì)的穩(wěn)固性。

3 高壓管道的支吊架設(shè)計(jì)

加氫裝置高壓管道中支吊架起到固定的作用，支吊架在高壓管道中屬于較為重要的設(shè)計(jì)，支吊架直接關(guān)系到高壓管道的使用狀態(tài)。加氫裝置高壓管道中，支吊架的設(shè)計(jì)中提出了兩項(xiàng)原則，分別是：(1)高壓管道配管設(shè)計(jì)中選擇支吊架時(shí)，必須考慮支吊架的支承點(diǎn)，分析支承點(diǎn)位置承受的荷載，分析荷載的大小、方向，還要分析支承管在配管中發(fā)生位移的情況，掌握好所有情況之后才能選出匹配的支吊架，滿足高壓管道配管設(shè)計(jì)的需求；(2)配管中支吊架并不是統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，要按照實(shí)際的情況規(guī)劃支吊架的設(shè)計(jì)和使用，加氫裝置高壓管道配管要承載的介質(zhì)溫度不低于400℃時(shí)，一般建議使用不銹鋼管、碳鋼管道以及合金管道，這些管道除非是特殊情況，否則不能運(yùn)用焊接類型的吊點(diǎn)及管托，以免造成支吊架事故。

4 高壓管道配管的熱處理

加氫裝置高壓管道配管中的熱處理技術(shù)起到關(guān)鍵的作用，配管熱處理前期要檢查高壓管道配管的設(shè)備性能，全面檢查管道的狀態(tài)，確保熱處理符合高壓管道配管的需求，避免熱處理的溫度過高而破壞管道配管。加氫裝置高壓管道配管熱處理時(shí)較容易出現(xiàn)燒斷加熱片的問題，或者斷片的問題，一定要預(yù)防出現(xiàn)這兩種情況，優(yōu)化熱處理的過程。

加氫裝置高壓管道配管中還存在一類配管具備延遲裂紋的特征，這種管道熱處理中還要增加一道工序，也就是焊接完配管之后，焊縫位置要實(shí)行30min的后熱消氫處理，處理的溫度設(shè)置為300℃～350℃，同時(shí)落實(shí)保溫緩冷措施，待配管穩(wěn)定后才能組織熱處理。

加氫裝置高壓管道配管熱處理設(shè)計(jì)中，所有參數(shù)都要符合國內(nèi)外的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，必須要確保熱處理參數(shù)的規(guī)范性。高壓管道配管熱處理操作時(shí)，如果環(huán)境溫度比較低，就要采取延長(zhǎng)恒溫的方法，提高熱處理技術(shù)的實(shí)施質(zhì)量，比如：某加氫裝置高壓管道配管設(shè)計(jì)案例中，高壓管道配管焊縫兩邊的寬度約為焊縫寬度的3倍，經(jīng)測(cè)量焊縫兩邊的寬度超過了25mm，熱處理時(shí)要對(duì)該焊縫外圍100mm的位置也實(shí)行延長(zhǎng)恒溫，還需封閉配管管道的兩個(gè)端口，避免管內(nèi)溫度影響熱處理的效果。

5 結(jié)語

加氫裝置高壓管道配管設(shè)計(jì)過程中，要注意區(qū)分高溫和常溫狀態(tài)下高壓管道的配管設(shè)計(jì)，同時(shí)落實(shí)支吊架的設(shè)計(jì)內(nèi)容，做好配管的熱處理工作，確保加氫裝置高壓管道配管設(shè)計(jì)能夠滿足工藝的需求。