淺談加氫反應(yīng)器急冷氫管道的配管設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析

陸 聰，郭 棟，荊舉祥

(山東三維石化工程股份有限公司，山東 淄博 255434)

加氫是指石油餾分在氫氣及催化劑作用下化學(xué)反應(yīng)的加工過(guò)程，加氫可以分為加氫精制、加氫裂化、臨氫降凝、加氫異構(gòu)化等[1-3]。反應(yīng)器是加氫裝置中非常重要的核心設(shè)備，操作條件比較苛刻，具有高溫、高壓、臨氫等特點(diǎn)[4-6]，為控制反應(yīng)器床層溫升，平衡催化劑床層間的熱量分布，催化劑床層之間需要注入急冷氫。加氫反應(yīng)器通常設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)急冷氫注入點(diǎn)，急冷氫經(jīng)管道注入反應(yīng)器急冷氫箱內(nèi)。急冷氫管道的特點(diǎn)是溫度不高，管道內(nèi)介質(zhì)為氫氣，泄漏不易被發(fā)現(xiàn)。

通常反應(yīng)器冷氫注入點(diǎn)根據(jù)反應(yīng)器床層溫確定，急冷氫注入點(diǎn)均勻分布在反應(yīng)器筒體上。裝置運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)器由于升溫產(chǎn)生熱膨脹，急冷氫管口隨反應(yīng)器膨脹而升高。急冷氫一般操作溫度在60～80℃，反應(yīng)器溫度為200～400℃，二者熱脹量存在較大差別，這就導(dǎo)致了高處冷氫管嘴對(duì)冷氫管線存在拉扯作用。冷氫管口位置越高，拉扯作用越明顯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞管道，導(dǎo)致氫氣泄露。由于氫氣爆炸極限較寬，泄露存在較大的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，這就要求對(duì)急冷氫管線的配管和應(yīng)力分析進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)劃及應(yīng)力分析，以確保裝置正常運(yùn)行時(shí)，急冷氫管線不存在安全隱患。

1 急冷氫管道的配管注意事項(xiàng)

反應(yīng)器急冷氫管線的流程通常為：自混氫總線或分支線引出，設(shè)置一個(gè)流量計(jì)、一個(gè)根部閘閥，閘閥后設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)閥組，控制催化劑床層溫度，通常床層在同一高度處設(shè)置3～4個(gè)熱電偶或一個(gè)多點(diǎn)熱電偶，溫度信號(hào)取各熱電偶的均值。調(diào)節(jié)閥與反應(yīng)器之間設(shè)置一個(gè)Y型閥，一個(gè)止回閥，止回閥靠近反應(yīng)器安裝，防止介質(zhì)逆流，Y型閥設(shè)置在止回閥上游。影響急冷氫管線布置的因素有管口方位、閥門(mén)的設(shè)置及材質(zhì)等級(jí)分界等[2,7]。注意事項(xiàng)如下：

1.1 開(kāi)口方位

急冷氫管道與反應(yīng)器內(nèi)部急冷氫箱相連接，檢修和安裝時(shí)需要抽出和插入(如果有需要)，急冷氫口方位設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮抽出空間，不應(yīng)正對(duì)反應(yīng)器構(gòu)架立柱或斜撐，且與相鄰插入式熱電偶有一定的角度(推薦值為90°)。

1.2 管道等級(jí)確定

急冷氫管道靠近反應(yīng)器處溫度較高，其他部分溫度較低(～80℃)。因此，在確定急冷氫管道壓力等級(jí)時(shí)，應(yīng)考慮即滿足高溫要求又不會(huì)造成材料的浪費(fèi)。通常以Y型閥(或閘閥，以下以Y型閥為例)為界，Y型閥與反應(yīng)器之間為止回閥，Y型閥前為碳鋼，Y型閥后(包括Y型閥)為不銹鋼材質(zhì)，需增加一對(duì)法蘭變更材質(zhì)。

1.3 調(diào)節(jié)閥組的安裝

急冷氫管道上止回閥應(yīng)靠近反應(yīng)器上急冷氫口安裝，防止油氣逆流入氫氣系統(tǒng)。Y型閥(或閘閥)應(yīng)距急冷氫口≮3 m(管道長(zhǎng)度)，以使碳鋼側(cè)溫度接近急冷氫介質(zhì)溫度。急冷氫管道上溫控調(diào)節(jié)閥組一般布置在地面上。變材質(zhì)法蘭及不銹鋼閥門(mén)可以布置在滿足距離要求的平臺(tái)上，也可以與調(diào)節(jié)閥組一起布置在地面上。前者便于節(jié)省投資，后者便于操作。建議閥門(mén)組布置在地面上。

1.4 配管要求

急冷氫管道介質(zhì)溫度不高，但靠近反應(yīng)器管嘴處溫度較高，且反應(yīng)器冷氫管嘴會(huì)隨反應(yīng)器的熱漲而升高。為保證注氫管嘴無(wú)泄漏，避免反應(yīng)器對(duì)管道進(jìn)行拉扯，急冷氫管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考充分考慮管道的柔性。雖然急冷氫管道溫度不高，但在管道設(shè)計(jì)中也應(yīng)進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算，并在適當(dāng)位置設(shè)置彈簧支吊架。

2 急冷氫管道的配管舉例

(a)立式π型彎，(b)水平π型彎

由于急冷氫管線僅有管口處的反應(yīng)器拉扯位移，所以在設(shè)計(jì)急冷氫管道的配管時(shí)通常設(shè)置一個(gè)“π型彎”即可消除由此產(chǎn)生的應(yīng)力?！唉行蛷潯钡脑O(shè)計(jì)分為立式“π型彎”和水平“π型彎”兩類(lèi)，以某加氫裝置為例，分別介紹兩種配管方式(圖1為兩種配管形式的示意圖)。

(a)冷氫線上段及第一個(gè)彈簧架位置,(b)冷氫線中段及第二個(gè)彈簧架位置,(c)冷氫線下段及第一個(gè)導(dǎo)向架位置(圖中圓圈所示為彈簧架位置，方框所示為導(dǎo)向架位置)

圖2 立式“π型彎”應(yīng)力分析模型示意圖

(a)冷氫線上段及第一、二個(gè)彈簧架位置,(b)冷氫線中段及第三個(gè)彈簧架位置,(c)冷氫線下段及第一個(gè)導(dǎo)向架位置(圖中圓圈所示為彈簧架位置，方框所示為導(dǎo)向架位置)

圖3 水平“π型彎”應(yīng)力分析模型示意圖

采用CAESARⅡ軟件對(duì)以上兩種配管形式進(jìn)行應(yīng)力分析,應(yīng)力分析模型如圖2、圖3所示。兩種配管方式的管線支架設(shè)置均依托反應(yīng)器構(gòu)架平臺(tái)，一般在第一個(gè)彎頭處設(shè)置恒力彈簧吊架，可以設(shè)置在平臺(tái)以上，設(shè)置“門(mén)型”架作為彈簧的生根位置，也可以設(shè)置在平臺(tái)以下，彈簧生根于平臺(tái)梁[3]。

兩種方案的應(yīng)力分析結(jié)果如下：

2.1 支架形式

(1)立式“π型彎”：第一個(gè)彎頭處設(shè)置恒力彈簧吊架，“π型彎”穿下層平臺(tái)處設(shè)置彈簧架，根據(jù)“π型彎”的大小，CAESARⅡ軟件會(huì)輸出選定的彈簧架形式?！唉行蛷潯焙筘Q向穿平臺(tái)處設(shè)置彈簧架和導(dǎo)向架。

(2)水平“π型彎”：第一個(gè)彎頭處設(shè)置恒力彈簧吊架，“π型彎”對(duì)角彎頭后設(shè)置彈簧架，根據(jù)“π型彎”的大小，CAESARⅡ軟件會(huì)輸出選定的彈簧架形式?！唉行蛷潯焙筘Q向穿平臺(tái)處設(shè)置彈簧架和導(dǎo)向架。

2.2 恒力彈簧架的安裝

冷氫管線上的彈簧支吊架及導(dǎo)向架通常生根在反應(yīng)器構(gòu)架平臺(tái)上。第一個(gè)彈簧架為恒力彈簧支吊架，此處位移較大，可以采用兩種安裝形式：一種為平臺(tái)下吊架，恒力彈簧架選用PA型或PE型(根據(jù)生根梁的型式確定)，生根在平臺(tái)梁處，位于平臺(tái)下部，該型式可以有效減少平臺(tái)占有率，便于操作和檢修，但此類(lèi)支架的設(shè)置需要在配管過(guò)程中考慮彈簧架的空間，平臺(tái)以下管線應(yīng)預(yù)留足夠的安裝空間。另一類(lèi)為平臺(tái)上吊架，恒力彈簧架選用PD型，該型式需在平臺(tái)上部做“門(mén)型”支架，以便于彈簧架生根，此類(lèi)支架的設(shè)置對(duì)平臺(tái)以下的管道布置沒(méi)有要求，但會(huì)占據(jù)一部分操作平臺(tái)，當(dāng)反應(yīng)器構(gòu)架平臺(tái)較寬敞時(shí)可采用該型式。本文建議采用第一種型式，既美觀又可節(jié)省平臺(tái)上部空間。

2.3 受力

兩種計(jì)算結(jié)果受力見(jiàn)表1(選取有代表性的點(diǎn)進(jìn)行比較)。

由應(yīng)力分析結(jié)果(表2)可以看出，以上兩種配管形式管線受力及位移均可以滿足設(shè)備管口受力要求，配管過(guò)程中需根據(jù)反應(yīng)器平臺(tái)的布置確定支架的安裝位置，并根據(jù)反應(yīng)器的管口高度確定急冷氫口的初始位移。

表1 各點(diǎn)受力(最大值)

2.4 位移

表2 各點(diǎn)位移(最大值)

3 總結(jié)

(1)急冷氫線上需增加變材質(zhì)法蘭，靠近反應(yīng)器側(cè)選用不銹鋼管線，遠(yuǎn)離反應(yīng)器側(cè)選用碳鋼管線，法蘭距離反應(yīng)器急冷氫管口的管線長(zhǎng)度≮3 m。

(2)建議將急冷氫線上調(diào)節(jié)閥組布置在地面上，Y型閥(或閘閥)及法蘭靠近調(diào)節(jié)閥組安裝，便于操作和檢修。

(3)為了便于設(shè)置支架及統(tǒng)籌全部急冷氫管線的布置，建議采用立式“π型彎”的配管型式。

另外，若多臺(tái)反應(yīng)器串聯(lián)，反應(yīng)器之間混氫油管線上的急冷氫線應(yīng)在滿足PID要求的前提下布置在最低點(diǎn)，以減少混氫點(diǎn)的位移，該類(lèi)急冷氫線可以不設(shè)置“π型彎”。