加氫裝置高壓空冷器進出口管道設計探析

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

近年來，由于我國煉制原油中劣質高硫原油的比例不斷增加，造成加氫裝置原料中的硫和氮含量較高，在加氫反應器中生成大量的H2S、NH3以及少量的氯化物等腐蝕性介質，對下游高壓冷卻設備和管道造成了嚴重的腐蝕和破壞[1]。加氫裝置中的熱高分氣空冷器，操作條件苛刻、管道分支多、管道復雜，是整個裝置中的關鍵設備，但處于高壓、臨氫和H2S工況下，一旦出現泄漏，將會引發火災甚至爆炸，如2016年境外某加氫裝置就是由于高壓空冷管道法蘭泄漏引發大火。此外，隨著裝置規模的大型化，熱高分空冷器管道的直徑和壁厚相應增大，空冷器數量增多，如何通過優化管道布置，在滿足工藝要求和空冷管嘴受力要求的前提下節約高壓管道，成為管道設計中的難題之一。筆者結合某加氫裂化裝置高壓空冷器進出口管道的優化布置過程進行了簡要分析。

1 裝置基本情況

1.1 工藝流程

某加氫裂化裝置熱高分空冷器部分的工藝流程見圖1。反應產物與混氫原料油換熱后進入熱高壓分離器進行油、氣分離，熱高分氣分別與冷低分油、循環氫換熱，再經高壓空冷器冷卻至約46 ℃，進入冷高壓分離器進一步進行油、水、氣三相分離。根據規定，工藝專業將裝置高壓空冷器內的工藝介質物性(包括流速、Kp值、Cl-含量等)及下游冷高壓分離器酸性水中的硫氫化銨濃度委托給下游專業進行初步選材，空冷管束的選材應考慮合適的流速。其中，碳鋼材質介質流速為3.05～6.10 m/s，雙相不銹鋼材質介質流速范圍為3.05～9.1 m/s，鎳基合金材質介質流速范圍為3.05～15.2 m/s。

由于反應流出物中NH3的存在，此部位容易形成銨鹽(主要是NH4HS和NH4Cl)。為防止銨鹽結晶析出堵塞換熱器和空冷器管束，通常在進入空冷器前設置注水系統[2]。經查閱資料可知，NH4Cl的結晶溫度約為176～204 ℃，而NH4HS的結晶溫度約為26～65 ℃。本裝置中，在熱高分氣進入高壓換熱器6之前，管道操作溫度已降至約194 ℃，為防止NH4Cl鹽結晶析出堵塞高換，在此處設置間斷注水系統；介質經過高壓空冷換熱后操作溫度已降至約46 ℃，為防止NH4HS鹽結晶析出堵塞空冷器管束，在空冷器前設置連續注水系統。

圖1 某加氫裂化裝置熱高分空冷器部分的工藝流程

1.2 高壓空冷器平面布置

空冷器宜布置在裝置常年最小頻率風向的下風向，且宜按工藝流程設置在管橋或構架頂部[4]。綜合考慮流速、Kp值、Cl-含量和硫氫化銨濃度等因素，對高壓空冷連續注水點后進口管道和出口管道，專利商分別選用N08825和A312 TP316L材質。為節省貴重管材，宜將高壓空冷與相關的熱高壓分離器、高壓換熱器及冷高分等設備綜合考慮、統一布置，且高壓空冷距離高壓換熱器及冷高分間距離盡量小。此外，還應重點考慮地面上檢修空冷器所用吊車回旋的空間及通道，所以宜將空冷布置于靠近道路側或預留檢修場地以便吊裝和檢修。

1.3 相關設計參數

該裝置采用AXENS工藝包，高壓空冷數量為16片，其進出口管道部分的編號見圖2，相應操作條件與設計條件等工藝參數見表1。由于此處管內介質為氣液兩相，且銨鹽容易在空冷管束中結晶析出堵塞管路，進而使空冷管束中介質流速不一致，因此，專利商要求進出口管道對稱布置，以保證各分支管道的流速一致。具體各級管道公稱直徑及管道壁厚見表2。

圖2 高壓空冷器進出口管道

表1 工藝參數

表2 進出口管道參數

2 管道設計難點

(1)從上述所列相關設計參數中可以看出，高壓空冷進出口管徑及壁厚較大，管道分支多，使整個管系由于管道自身的荷載而產生較大的一次應力，對支撐管道的結構梁荷載大，需要根據管道的具體布置形式設置合適的構架來支撐管道，且為增加構架的穩定性，還應使構架高度盡可能低。

(2)空冷進口沒有設置閥門調節流量，且介質為氣液兩相流體，為盡可能減少偏流，使工藝介質均勻地進入每片空冷，入口管道需對稱布置[3]。

(3)由于空冷器數量多，整組空冷兩端管嘴的間距長達59.5 m，且管道設計溫度高，管道熱脹產生的二次應力會使管道對空冷器管嘴的作用力和力矩較大。因此，需要合理布置管道走向，依靠管道柔性吸收熱脹，減少管嘴的受力和力矩，使其滿足API661要求。

(4)根據SH/T 3041—2016 第5.1條要求，進行管道柔性設計時，計算溫度的選取應計其正常操作溫度，還應計其開車、停車、除焦、再生及蒸汽吹掃等工況的溫度。專利商基于全廠大停電且無法預估大停電工況的持續時間，包括熱高分氣空冷器、循環氫脫硫系統和循環氫壓縮機入口管路都按停電工況考慮(見表1)。從表1可知，空冷器進出口管道的操作溫度不高，但設計溫度均高于300℃，這增加了管道柔性分析的難度，也是設計難點之一。

(5)進出口管道分別采用價格昂貴的鎳基合金鋼B423 N08825材料和不銹鋼A312 GR.TP316L材料，在滿足空冷管嘴和冷高分管嘴受力的前提下，如何節省大口徑貴重管材是設計過程中重點考慮的因素。

3 空冷器入口管道設計

為保證入口管道內介質不發生偏流，專利商要求入口管道需按圖3所示進行布置。

(1)每個分支處的彎頭和三通之間的直管段應不小于6倍管道直徑，以保證介質在分支前有足夠的空間充分混合，從而可以更均勻地分配到兩個分支中。

(2)彎頭的上游管道所在平面與下游三通所在平面呈90°，使介質沿垂直方向流入分支前的水平直管段形成旋流，從而可以減小由于慣性而產生的偏流。

(3)入口線按照“上不積氣，下不積液”的原則，采用“步步低”的方式，即入口總管處于管系最高點，各分支處偏心異徑管均采用底平安裝，可避免液相介質在管路中堆積。

圖3 空冷器進出口管道布置要求

由于高壓空冷進出口管道壓力等級高、管道剛度大，且設計溫度都在300℃以上，管道對空冷管嘴的作用力比中低壓空冷器大許多，因此在設計早期將高壓空冷管嘴受力和力矩按API661標準規定值的3倍向制造廠提出要求非常重要。管道設計中應首先通過優化管道布置，增加自身柔性吸收熱脹，以減小對管嘴的作用力。若管道布置滿足管嘴受力要求確實有困難時，也可將應力計算的受力值及時反饋給制造廠，由制造廠考慮對管口進行加強處理，增大管嘴的允許受力范圍。

AXENS要求注水接入口與高壓空冷器入口主管道分支點間應有不小于10m的直管段，也有其他專利商要求直管段不小于10倍工藝管道公稱直徑，以保證注水點之后有足夠的空間使水與熱高分氣中的銨鹽充分混合。此外，還應注意注水管開口或噴頭方向應和工藝物流的流向相同。

3.1 入口管道初步設計方案

按照空冷器管道布置要點和專利商要求，得到的入口管道初步布置方案見圖4。

圖4 入口管道初步布置方案

該設計方案中，沿著從空冷管嘴至高換的順序看，首先在空冷器各管嘴入口彎頭處設置了可拆卸法蘭，使入口管道不會影響空冷的吊裝檢修；其次為增加靠近管嘴處管道柔性，在各管嘴入口處DN150的管道上設置了YZ面內的“π”形補償器，并將補償器處的支架設置為X方向的導向支架，以減小管道對管嘴的作用力。最后將管系頂部的支架設置為X方向的導向支架，以減小注水點后10 m的直管段在X方向的熱脹對N1側管嘴的作用力。

據此進行應力計算得到的結果顯示，空冷入口的大多數管嘴出現超標情況，且超標管嘴主要分布于兩端管嘴處，其中兩端的管嘴超標尤為嚴重。兩端8個管嘴受力和力矩結果見表3。

表3 入口管道初步布置方案的空冷兩端管嘴作用力和力矩

注：*表示超標數據。

從表3可以看出，管嘴超標數據均為MZ方向的扭矩，且兩端力矩方向相反，說明在熱脹的作用下，管道的熱脹量由管系最高點處的總管部位向空冷兩端逐漸增大，從而導致兩端管嘴的受力和力矩最大，過大的扭矩易使法蘭密封面失效泄漏，引發事故。此外，計算得到的入口總管的導向支架處(見圖4節點1)導向力多達5 t，使得39 m高的空冷器構架根本無法承受，同時也不利于構架的穩定性，因此應對管道做進一步的優化設計。

3.2 入口管道優化方案

分析入口管道初步設計方案可知，兩端管嘴MZ方向扭矩過大主要是因為空冷兩端跨距大，使得管道在X方向的熱脹量過大。而管道沿X方向的熱脹可通過增加Z向或Y向的直管段吸收。增加Y向長度則需要抬高整個構架，不利于構架的穩定性，因此優先選擇調整Z方向的直管長度，即對圖4中a和b段的管道進行優化。

最終選擇圖5所示布置方案，a和b段增加了一個“π”形補償器(見圖5中A處)，并取消了總管最高點處的導向支架。據此方案得到的所有管嘴受力均在API661規定的允許值3倍之內，其中受力最大的兩端8個管嘴受力計算結果見表4。

圖5 入口管道優化布置方案

表4 入口管道優化方案所得空冷兩端管嘴作用力和力矩

與入口管道初步布置方案相比，優化后得到空冷管嘴在MZ方向的扭矩有了明顯減小，整體受力狀況得到改善，并且取消總管頂部的導向支架，使得空冷構架的設計可以實施，因此選擇該布置形式為最終方案。

4 空冷器出口管道設計

與入口管道可在空冷器本體構架上支撐不同，大部分出口管道需要從管橋上以步步低的形式進入冷高分設備。出口管道既要滿足對稱布置要求和管道柔性設計，也要避免碰撞儀表、電氣槽盒，滿足操作平臺的通行要求。因此，可調整空間相比入口管道更有限。

綜合上述分析，并結合入口管道優化方案，對出口管道進行了下列優化設計(見圖6)：①靠近管嘴處的管道上設置“π”形補償器(見圖6中A處)，并將補償器處的支架設置為X方向的導向支架；②在出口總管兩側的DN600的支管上設置豎直面內的“π”形補償器(見圖6中B處)；③出口總管匯合點與冷高分入口管嘴在X方向距離較遠，故在總管上增設一個XZ面內的“π”形補償器(見圖6中C處)。

據此方案進行應力計算，得到的空冷器出口管嘴受力均在允許值范圍內，空冷出口兩端管嘴受力值見表5。

圖6 出口管道優化設計

表5 出口管道優化設計空冷兩端管嘴作用力和力矩

5 結語

文中引用的某大型加氫裝置已成功開車，從實踐的角度也檢驗了高壓空冷器管道設計的合理性。本文介紹了高壓空冷器平面布置和管道布置的要求和原則，概述了大型加氫裝置高壓空冷器進出口管道布置的難點，討論了如何根據初步應力計算結果分析并解決問題，既達到專利商要求管道對稱布置的要求，又滿足API661規定的管嘴受力允許值的布置方案。該布置方案在裝置大型化高壓空冷設計過程中具有一定的代表性，希望為加氫裝置類似高壓空冷器的管道設計提供參考和借鑒。