加氫反應器入口管線應力分析及配管優化

丁建亞，王俊杰，葉世強，王英杰，潘榮健

(鎮海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315000)

加氫反應是放熱反應，高溫、臨氫等苛刻的操作條件使得反應器入口的管口法蘭處應力校核難以通過。為了保障加氫反應器能夠長周期平穩運行，配管設計應充分考慮到高溫狀態下管道的柔性，通過合理設置管道支架、規劃管道走向，減少因應力原因造成的管道損傷[1]。

本文以某石化裝置電加熱器H101出口至加氫反應器F101入口管線優化的實際案例為基礎,對比分析多種優化方案的法蘭應力校核結果，進而對配管方案進行優化。

1 理論標準

根據一般經驗，管道上法蘭處的應力(不計內壓產生的管道應力)應控制在相應溫度下的法蘭最大允許工作壓力以下，則不會發生泄漏[2]。當量壓力法[3]是一種較為準確的法蘭校核方法，可將法蘭所承受的外力和力矩折合為當量壓力Peq以表示法蘭處所受應力，具體可按式(1)計算：

Peq=16M×1000/(π×D3)+4×F/(π×D2)

(1)

式中，Peq為當量壓力，MPa；M為法蘭承受的彎曲力矩，N·m；F為法蘭承受的拉力，N；D為墊片的計算直徑，mm。

法蘭的計算壓力按式(2)計算：

P=P1+Peq

(2)

式中，P1為管道的工作壓力，MPa。

法蘭的詳細計算方法見國家標準鋼制壓力容器GB150[4]標準。本文采用CAESAR II中的法蘭校核模塊進行核算，通過模擬計算出法蘭的計算壓力與相應溫度下的法蘭最大允許工作壓力，并進行對比。其比率小于100%即可認為法蘭校核通過，但在實際設計中，為了留出足夠裕量，其比率最大一般不超過80%。

2 案例分析

本案例來自溶劑油加氫裝置。加氫反應器F101與電加熱器H101的相對位置見圖1。加氫反應器材質為15CrMoR、電加熱器筒體材質為S32168III，兩臺設備管口公稱直徑均為250 mm,公稱壓力均為PN110(10.0 MPa)。溶劑油加氫裝置在生產時主要有運行態和預硫化態兩種工況，反應器入口管線在不同工況下的參數見表1。裝置原始配管方案見圖2。

圖1 設備平面布置

表1 反應器入口管線基本參數

圖2 原始配管方案

由于預硫化態在實際生產中時間不長，設計人員在原始配管方案時僅考慮了運行態下的管道工況。加氫反應器F101與電加熱器H101間的管線基本以最經濟的方式連接，僅在反應器出口設置一臺TD30C12型號的彈簧，此種配管方案柔性不足，通常只適用于常溫、小管徑的管道系統[5，7]。其管口受力情況見表2，管口法蘭校核情況見表3。

由表2、表3可以看出，原始配管方案在運行態的90 ℃工況下，勉強可以做到應力不超標。當溫度達到預硫化態的350 ℃時，各管口Y/Z兩個方向受力增大，其工作壓力與最大允許工作壓力的比率遠遠超出100%，理論上來說，法蘭存在較大的泄漏風險。而在實際生產的預硫化過程中，反應器入口管線南北向膨脹量和反應器自身膨脹量過大，現場通過肉眼可見的管道位移能夠明顯觀察到應力集中在電熱器H101的出口管嘴上，發生了小區域的塑性形變[4]，與模擬計算的結論相同。

表2 原始配管方案管口受力情況

表3 原始配管方案管口法蘭校核情況

3 改造方案比選

為了優化預硫化態時各管口Y/Z兩個方向上的受力，現對兩種較為合適的方案進行比選。運行態管口法蘭校核易于通過，以下方案比選時不再贅述。改造方案對比見圖3。方案1通過Y向豎管及X向的雙π彎補償增加了管道柔性，在不設彈簧的情況下，吸收了Z方向的推力，使加氫反應器和電加熱器管口FZ值減少了很多，同時MX值也減少了很多，管口扭矩得到較大改善。但該方案使加氫反應器入口管道彎頭過多，增大了管道壓降，且在改造過程中受限于現場管位，實施過程難度較大。方案2因原有TD30C12型彈簧載荷變化率及位移量超標，將原有TD30C12型彈簧更換為TD120C15型彈簧，在現有管位緊張的條件下，僅在電加熱器出口處設置小型π彎補償。此方案在保證管道柔性的前提下，盡量減少了應力優化帶來的管道壓降，降低了施工難度。兩方案管口受力及法蘭校核對比見表4、表5，其管口受力及法蘭校核均滿足要求，但是綜合比較來看，方案2更優。

圖3 改造方案對比

表4 改造方案預硫化態管口受力對比

表5 改造方案預硫化態法蘭校核對比

4 方案優化與可行性分析

盡管方案2通過了法蘭校核，但電加熱器管口法蘭校核比率仍大于80%。根據現場實際情況，方案2已在有限的空間內做到了管路優化，通過管位微調幾乎無法將電加熱器管口法蘭校核比率降至更低，需要從其他方向入手來解決。通過觀察表4、表5，可以發現造成電加熱器管口工作壓力過大的原因主要是FZ值過大，除去管道布置的因素，影響FZ值的主要變量是電加熱器設備自身的膨脹量，也就是其管口初始位移。根據圖1所示電加熱器固定端的位置，在預硫化態350 ℃的情況下，我們所計算出的管口Z方向初始位移約為18mm。方案2就是在此基礎上優化得出的結果。如果將電加熱器鞍座底板的固定端與滑動端位置對調，在同樣的工況下可計算出管口Z方向初始位移降低至約5 mm。以此為基礎進行重新模擬校核得到方案3，其管口受力及法蘭校核對比見表6、表7，可見FZ值減小，電加熱器管口工作壓力成功降低，法蘭校核比率降至77.53%。此方案在方案2的基礎上，僅需對電加熱器的鞍座底板進行適當改造，具有很高的可行性。

表6 方案3預硫化態管口受力

表7 方案3硫化態法蘭校核

5 結語

加氫反應器作為加氫裝置的核心，其入口管線的應力分析及配管優化一直是配管設計的重中之重。設計人員在配管新建項目設計中，首先要考慮到不同工況對設備管口應力的影響。

在制定配管方案時，還應充分考慮到高溫狀態下管道的柔性，減少因應力原因造成的管道損傷，同時在熱應力管線周圍應預留足夠的空間，以避免在后續修改管道路的過程中，因空間局促而出現與其他管線碰撞的情況。在改造項目設計中，設計人員應利用現場現有條件對管道柔性進行最大程度優化，在管道布置無法進一步降低應力的同時，要通過設備自身膨脹來控制管口初始位移的方式來消解部分應力。此外，配管過程中應綜合考慮管道壓降、施工難度、現場空間等多方面因素，在保證法蘭校核滿足要求的情況下，使管路更加簡潔、經濟。