淺析渣油加氫裝置加氫反應器的配管設計

李莉（中石化洛陽工程有限公司 配管室，河南 洛陽 471003）

淺析渣油加氫裝置加氫反應器的配管設計

李莉（中石化洛陽工程有限公司 配管室，河南 洛陽 471003）

本文結合某200萬噸/年渣油加氫裝置，對該裝置中核心設備之一的加氫反應器，從設備平面布置、管嘴方位的確定、管道設計及構架的設置進行了論述。

加氫反應器；管道設計；反應構架

渣油加氫反應器在高溫（最高操作溫度440℃），高壓（最高操作壓力19.53MPa）及有腐蝕介質（H2和H2S）的條件下運行，其配管設計對整個裝置的正常運行有著至關重要的作用。本文結合某渣油加氫裝置從平面布置、管嘴方位的確定、管道設計等幾方面對其進行簡單探討。

1 反應器平面布置

（1）反應器布置應滿足工藝流程的要求。為控制反應系統的溫降、壓降，將反應器和進料加熱爐靠近布置，同時考慮柔性設計的前提下其管道長度應盡量短。

（2）反應器布置應滿足安全的要求。反應器與提供反應熱量的加熱爐可視為一個系統，沒有防火間距要求，凈距應盡量縮短[2]。為避免加熱爐與反應器基礎相碰，基礎之間距離不應小于4.5米。

（3）反應器布置應滿足操作和檢修的要求。反應器成排布置在同一構架內。構架下部應考慮卸催化劑的空間，此外反應器靠近檢修側應留有足夠的空間以滿足裝卸催化劑的要求及設備檢修等。

2 反應器開口方位的布置

油氣入口和人孔在反應器頂部。本裝置四臺反應器均為底部催化劑卸料，卸料口高度應滿足裝卸催化劑的要求，其方位應朝向檢修側，以便于人員和車輛進行催化劑裝卸。油氣出口在底部。反應器熱電偶為三點式（或五點式）測溫儀，故熱電偶嘴子開口方位不可朝向反應器構架的柱子或斜撐，以免影響熱電偶的安裝和檢修。

3 反應器的管道設計

管道內的介質為減壓渣油、氫氣和硫化氫，其設計溫度最高可達445℃，設計壓力可達19.53MPa,屬于高溫、高壓、臨氫、重油管線。由于管內介質含有氫氣，在高溫高壓情況下管線易產生氫腐蝕，同時由于其管壁較厚，溫度較高，故其膨脹量和熱應力也較大。

3.1 管道材料選用

考慮渣油加氫裝置反應流出物管道的操作條件及介質情況，根據API941的Nelson曲線及H2+H2S腐蝕曲線(Couper)選材原則，該處材質為應為奧氏體不銹鋼。但奧氏體不銹鋼長期在400-850℃高溫下時，會產生晶間腐蝕傾向。其機理是：在腐蝕介質的作用下，鉻鎳奧氏體不銹鋼在400-850℃的溫度范圍內再次受熱時，碳和鉻會以碳化物的形式沿晶界析出，但鉻的擴散速度低于碳的擴散的速度，晶體內部的鉻來不及擴散至晶界，因而靠近晶界處會造成一貧鉻區，使其抗腐蝕能力下降，防止鉻鎳奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的辦法有兩個：一是降低鋼材中的碳含量，以減少碳化物的析出；二是添加能形成穩定碳化物的元素，如鈦或鈮，以防止碳化鉻的析出。故管道材料一般使用含有穩定化元素的不銹鋼，如TP321和TP347。本裝置該部分管道選用的是TP321材質。

3.2 管道的設計

3.2.1 主工藝管道的設計

第一反應器出口至第二反應器入口的管線。其設計參數如下：

設計溫度：414℃

設計壓力：19.11MPa

管道材質：ASTM A312 TP321

管道公稱直徑：DN400

管道壁厚：46.02mm

方案一，如圖1所示。可以看出，該方案布置簡單，彎頭較少，雖在經濟上節省了投資，但經應力計算分析，入口法蘭處彎矩過大（71067N.m）。經調整，方案二，如圖2所示，在進入第二反應器之前增加一個90度彎頭，在X方向上增加一段管道，相應的低點處彈簧向X方向移動，法蘭處彎矩為（21125N.m），彎矩有了明顯改善。前者是后者的3倍多，顯然方案二更安全合理。

同樣的管道長度，僅增加了一個彎頭，就大大緩解了設備管嘴及法蘭的受力情況，管道也更加合理安全。可見，高溫厚壁管道的柔性設計，不僅僅要從增加管道長度的角度考慮，合理的布置方案更是應該思考的方向。

圖1

圖2

3.2.2 消防蒸汽管道的設計

渣油屬低凝點重油，一旦泄露便會起火。為防止法蘭連接處泄漏起火，法蘭處均應設置帶孔的消防環管，小孔朝向法蘭連接面。發生泄露時開啟蒸汽，使泄露的油氣由于缺氧而減小火勢，從而減少損失。消防蒸汽環管應分別設置切斷閥，并集中布置，掛牌明確標識，切斷閥組與消防環管至少應有15m的安全距離。

消防蒸汽管道在不使用時為常溫，且其口徑較小，由于其末端的消防蒸汽環管固定在法蘭面處，在消防蒸汽環管附近的管道應有足夠的柔性來吸收反應器及主工藝管道的熱脹量，防止對消防管道造成破壞，影響正常使用。

4 反應器構架及平臺的設置

該裝置有4臺反應器，其外徑均為￠6080mm，布置在構架內。反應器操作溫度高，

在設置頂部構架平臺和平臺與設備間隙的時候應充分考慮到其熱膨脹。反應器構架從檢修和操作安全性考慮，宜設成雙跑斜梯。同時，在構架中間檢修側設置直梯，以供緊急情況下逃生使用。

頂平臺的開洞大小根據反應器頂部人孔的大小來確定。該反應器人孔連接法蘭外緣直徑為￠1650mm，且此法蘭密封面壓力比較高，緊固件相當大，螺栓的預緊安裝需采用液壓拉伸器，平臺高度應滿足拉伸器的操作空間。同時應計算反應器受熱向上的膨脹量，確保膨脹后的球形封頭與頂平臺開洞的邊緣梁有一定的空隙。構架頂平臺的設計需考慮承受催化劑和料斗的重量。同時還要設置反應器頭蓋承重區,并明顯標示。

5 結語

本文對渣油加氫裝置反應器平面布置、管嘴方位的確定、管道設計及構架設置等分別進行了分析論述。反應器及其管道長期處于高溫、高壓、臨氫的環境中，故其配管設計的合理與否對其乃至整個裝置的操作，檢修，及安全生產運行有著十分重要的意義。

[1]朱華興張立新煉油技術與工程，加氫專輯2006～2010，中國石化出版社，108～109.

[2]張德姜李慶漢王金富.石油化工裝置工藝裝置布置設計規范，2011，15～16.