淺談加氫反應器急冷氫管道的配管設計及應力分析

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反應的加工過程，加氫可以分為加氫精制、加氫裂化、臨氫降凝、加氫異構化等[1-3]。反應器是加氫裝置中非常重要的核心設備，操作條件比較苛刻，具有高溫、高壓、臨氫等特點[4-6]，為控制反應器床層溫升，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。加氫反應器通常設置一個或幾個急冷氫注入點，急冷氫經管道注入反應器急冷氫箱內。急冷氫管道的特點是溫度不高，管道內介質為氫氣，泄漏不易被發現。

通常反應器冷氫注入點根據反應器床層溫確定，急冷氫注入點均勻分布在反應器筒體上。裝置運行時，反應器由于升溫產生熱膨脹，急冷氫管口隨反應器膨脹而升高。急冷氫一般操作溫度在60～80℃，反應器溫度為200～400℃，二者熱脹量存在較大差別，這就導致了高處冷氫管嘴對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，嚴重時會破壞管道，導致氫氣泄露。由于氫氣爆炸極限較寬，泄露存在較大的爆炸風險，這就要求對急冷氫管線的配管和應力分析進行嚴格的規劃及應力分析，以確保裝置正常運行時，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

反應器急冷氫管線的流程通常為：自混氫總線或分支線引出，設置一個流量計、一個根部閘閥，閘閥后設置一個調節閥組，控制催化劑床層溫度，通常床層在同一高度處設置3～4個熱電偶或一個多點熱電偶，溫度信號取各熱電偶的均值。調節閥與反應器之間設置一個Y型閥，一個止回閥，止回閥靠近反應器安裝，防止介質逆流，Y型閥設置在止回閥上游。影響急冷氫管線布置的因素有管口方位、閥門的設置及材質等級分界等[2,7]。注意事項如下：

1.1 開口方位

急冷氫管道與反應器內部急冷氫箱相連接，檢修和安裝時需要抽出和插入(如果有需要)，急冷氫口方位設計時，應考慮抽出空間，不應正對反應器構架立柱或斜撐，且與相鄰插入式熱電偶有一定的角度(推薦值為90°)。

1.2 管道等級確定

急冷氫管道靠近反應器處溫度較高，其他部分溫度較低(～80℃)。因此，在確定急冷氫管道壓力等級時，應考慮即滿足高溫要求又不會造成材料的浪費。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，需增加一對法蘭變更材質。

1.3 調節閥組的安裝

急冷氫管道上止回閥應靠近反應器上急冷氫口安裝，防止油氣逆流入氫氣系統。Y型閥(或閘閥)應距急冷氫口≮3 m(管道長度)，以使碳鋼側溫度接近急冷氫介質溫度。急冷氫管道上溫控調節閥組一般布置在地面上。變材質法蘭及不銹鋼閥門可以布置在滿足距離要求的平臺上，也可以與調節閥組一起布置在地面上。前者便于節省投資，后者便于操作。建議閥門組布置在地面上。

1.4 配管要求

急冷氫管道介質溫度不高，但靠近反應器管嘴處溫度較高，且反應器冷氫管嘴會隨反應器的熱漲而升高。為保證注氫管嘴無泄漏，避免反應器對管道進行拉扯，急冷氫管道設計時，應考充分考慮管道的柔性。雖然急冷氫管道溫度不高，但在管道設計中也應進行管道應力計算，并在適當位置設置彈簧支吊架。

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器拉扯位移，所以在設計急冷氫管道的配管時通常設置一個“π型彎”即可消除由此產生的應力?！唉行蛷潯钡脑O計分為立式“π型彎”和水平“π型彎”兩類，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彈簧架位置,(b)冷氫線中段及第二個彈簧架位置,(c)冷氫線下段及第一個導向架位置(圖中圓圈所示為彈簧架位置，方框所示為導向架位置)

圖2 立式“π型彎”應力分析模型示意圖

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

圖3 水平“π型彎”應力分析模型示意圖

采用CAESARⅡ軟件對以上兩種配管形式進行應力分析,應力分析模型如圖2、圖3所示。兩種配管方式的管線支架設置均依托反應器構架平臺，一般在第一個彎頭處設置恒力彈簧吊架，可以設置在平臺以上，設置“門型”架作為彈簧的生根位置，也可以設置在平臺以下，彈簧生根于平臺梁[3]。

兩種方案的應力分析結果如下：

2.1 支架形式

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

(2)水平“π型彎”：第一個彎頭處設置恒力彈簧吊架，“π型彎”對角彎頭后設置彈簧架，根據“π型彎”的大小，CAESARⅡ軟件會輸出選定的彈簧架形式?！唉行蛷潯焙筘Q向穿平臺處設置彈簧架和導向架。

2.2 恒力彈簧架的安裝

冷氫管線上的彈簧支吊架及導向架通常生根在反應器構架平臺上。第一個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：一種為平臺下吊架，恒力彈簧架選用PA型或PE型(根據生根梁的型式確定)，生根在平臺梁處，位于平臺下部，該型式可以有效減少平臺占有率，便于操作和檢修，但此類支架的設置需要在配管過程中考慮彈簧架的空間，平臺以下管線應預留足夠的安裝空間。另一類為平臺上吊架，恒力彈簧架選用PD型，該型式需在平臺上部做“門型”支架，以便于彈簧架生根，此類支架的設置對平臺以下的管道布置沒有要求，但會占據一部分操作平臺，當反應器構架平臺較寬敞時可采用該型式。本文建議采用第一種型式，既美觀又可節省平臺上部空間。

2.3 受力

兩種計算結果受力見表1(選取有代表性的點進行比較)。

由應力分析結果(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備管口受力要求，配管過程中需根據反應器平臺的布置確定支架的安裝位置，并根據反應器的管口高度確定急冷氫口的初始位移。

表1 各點受力(最大值)

2.4 位移

表2 各點位移(最大值)

3 總結

(1)急冷氫線上需增加變材質法蘭，靠近反應器側選用不銹鋼管線，遠離反應器側選用碳鋼管線，法蘭距離反應器急冷氫管口的管線長度≮3 m。

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

(3)為了便于設置支架及統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，若多臺反應器串聯，反應器之間混氫油管線上的急冷氫線應在滿足PID要求的前提下布置在最低點，以減少混氫點的位移，該類急冷氫線可以不設置“π型彎”。