高壓加氫反應器頂部注硫線管道安裝設計優化

戰海云

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061)

1 引言

加氫裝置注硫線的主要作用是使加氫反應器的器壁發生鈍化，防止絲狀積碳的生成。因此在新裝置開工之前適當的將硫引到加氫反應器里面，抑制加氫反應催化劑在反應初期因過度氫解反應產生的“飛溫”，注硫可以把催化劑從氧化態轉變成硫化態，從而可以降低積碳反應的程度，改善催化劑的選擇性和穩定性，提高它的活性[1]。加氫反應器入口管線管徑相對較細的線，且溫度與入口管線相差較大，是應力分析中的一個難點。本文利用CAESAR Ⅱ對某石化公司30萬t/a精密分餾裝置中的加氫反應器頂部注硫化劑管線進行應力分析探討，得出合理的配管方案。下圖1為加氫反應器頂部注硫化劑管線PID圖。

圖1 加氫反應器頂部注硫化劑管線PID圖

2 設計參數

CAESAR Ⅱ是由美國COADE公司研制開發的專業管道應力分析軟件，它被廣泛的應用于石油、石化、化工、電力、鋼鐵等行業[2]。管道應力分析的主要目的是使管道各處的應力水平在規范允許的范圍內，從而幫助配管設計人員對管道系統進行優化設計[3]。在CAESARⅡ軟件里對注硫管線進行建模，需要注硫管線及其主管相關參數。數據見下表1。

表1 注硫化劑管線及主管相關設計參數

3 應力分析

注硫管線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，但加氫反應器入口管道屬于高溫高壓管道，需要注意反應器入口管線的柔性，保證注硫線的注入口處二次應力不超標。利用CAESAR Ⅱ進行核算時需要考慮注硫線的注硫、退硫、操作等三種工況。需要對以上三種工況進行綜合分析，來考慮反應器頂部入口管線的熱脹對注硫管線的影響。

3.1 初始分析

注硫化劑管線由加氫反應器頂部入口管線處接入，閥組支撐在反應器框架平臺上，標高為40.3m。初始配管的應力模型如下圖2所示。

圖2 硫化劑線初始配管模型

通過運行初始配管模型，生成CAESAR Ⅱ應力計算報告。報告顯示：一次應力比率最大為59.4%，有空間設計支架。但二次應力比率最大為205.6%，且該處位于硫化劑線與總管交接處，交接處的熱脹位移為196.592mm。再加上硫化劑管線管徑較細，直接接入主管，沒有足夠的管段吸收熱脹，導致了管道整體柔性較差，二次應力較大。因此，該處應考慮增加硫化劑管道的柔性，配管形式需要進一步修改優化。

3.2 一次優化

為了增加硫化劑管道的柔性，對配管設計進行修改。硫化劑管道由原來的直接接入設計成先繞一圈后再接入主管。優化后應力模型如圖3所示。

圖3 硫化劑管線第一次優化配管模型

運行一次優化配管模型，生成CAESARⅡ應力計算報告。報告顯示：一次應力比率最大為59.8%，二次應力比率最大為69.5%。通過改變配管方式后，管道有足夠的柔性。滿足一二次應力的需求，各支架點的受力也合理，但是閥門所占的空間比較大，配管不夠簡潔。根據工藝要求，硫化劑線上的止回閥應盡量靠近主管。如果遠離主管，在硫化劑線停用的時候，仍會有一段的細管線里充滿高溫介質。因此，該方案還不是最優方案，應考慮將閥門集中布置，并且將止回閥靠近主管布置。配管形式還需要再進一步優化。

3.3 二次優化

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

圖4 硫化劑管線第二次優化配管模型

運行二次優化配管模型，生成CAESARⅡ應力計算報告。報告顯示：一次應力比率最大為56.7%，二次應力比率最大為70.5%。通過改變配管方式后，管道的柔性同樣足夠。但由于靠近主管處的熱脹較大，因此需在節點3011、3017、3027三處設置彈簧吊架，進行支撐。下表2為支架的受力情況。圖5為注硫管線優化后的三維立體模型圖。

表2 二次優化后各支架節點熱態受力及位移

圖5 優化后的三維立體模型圖

4 結論

注硫線的安裝設計，需要考慮管道的受力，合理設計支吊架，考慮管道的柔性，降低管道的應力水平，確保裝置安全可靠運行。因此管道設計時應考慮以下幾點：

(1)注硫線的安裝位置在加氫反應器的頂部入口，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柔性不夠，二次應力較大，因此需要進行詳細應力分析。

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

(3)靠近主管的管線由于熱脹的影響，無法設置普通承重支架，需設置彈簧吊架進行支撐，增加注硫管線的穩定性。