柴油加氫裝置高壓換熱器管線的設計分析

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著國家對節能減排和環境保護的嚴格要求，煉油行業對油品質量的要求越來越高，在這個過程中，關乎柴油產品質量的柴油加氫裝置顯得尤為重要。柴油加氫一般采用固定床催化工藝，原料油和氫氣在催化劑的作用下進行反應，用于脫除油品中硫、氮、氧雜原子及金屬雜質，同時，一部分不飽和烴得到加氫飽和，從而改進油品的質量，生產出安定性和燃燒性較好的產品[1]。

在柴油加氫裝置中，管道設計溫度最高可達435℃，設計壓力可達9.5MPa，管道位移量和熱應力非常大，許多管道又是臨氫管道，對管線易產生氫腐蝕，這些苛刻的條件增加了管道選材和管道布置的難度。

柴油加氫裝置反應部分的主要管道有：反應器進出口管道、高壓換熱器進出口管道、加熱爐進出口管道、高壓空冷器進出口管道等。其中高壓換熱器管線作為反應換熱的重要部分，其設計習慣和方法不同于常規換熱器，本文結合某煉油廠的柴油加氫裝置，就高換管線的設計要點及要注意的問題作簡要探討分析。

1 高壓換熱器的平面布置

冷換設備布置時，首先要滿足GB50160-2008和SH3011-2011對防火間距的要求，其次冷換設備宜采用按流程順序布置、有關設備相鄰布置或同類設備集中布置的原則[2]。此裝置共有五臺高壓換熱器，緊湊布置在反應構架西側，方便反應器和高壓換熱器間反應流出物管線的布置。

五臺高壓換熱器均布置在地面上，按管箱端支座基礎中心線對齊，為了節省占地面積，結合工藝流程要求，將其中兩臺重疊布置，由于換熱器之間的凈距要求不宜小于0.8 m，此處結合配管方案和閥門操作要求，各換熱器間距適當加大，具體布置見圖1。另外為了檢修時利于抽出管束，冷換設備管箱端應留檢修空地，空地大小為沿設備軸線方向從管箱端算起管束長加1.5 m。

在布置時，有軌道的高壓換熱器應注意軌道長度，留足殼體抽出空間，同時防止與其它結構柱子相碰。

圖1 高壓換熱器的平面布置圖

2 管道布置

高壓換熱器的管道布置應符合SH3012-2011 《石油化工管道布置設計通則》的要求，在滿足工藝流程的條件下，布置應統籌規劃，做到安全可靠、經濟合理、整齊美觀，滿足施工、操作、維修等方面的要求[2-4]。管道布置宜做到“步步高”或“步步低”，減少“氣袋”或“液袋”，否則，應根據操作、檢修要求設置放空或放凈。管道布置應使管道系統具有必要的柔性，在應力允許范圍內，力求管道最短，彎頭最少，盡量減少管道壓降，同時節省投資。

高壓換熱器管線設計時應注意冷熱物流的流向，為使換熱經濟合理，采用逆流傳熱，在管道布置中應使加熱介質(冷流)自下而上流動，被冷卻介質(熱流)自上而下流動。為方便檢修，換熱器進出口管道及閥門均應與設備頭蓋法蘭保持一定距離，并以方便拆卸螺栓為原則，一般靜距300 mm為宜。管程進出口管道布置應考慮管箱檢修方便，管道不應布置在管箱上方妨礙檢修,且宜加一對法蘭以便拆卸，不拆卸部分管道應設永久性支架[2]。

高壓換熱器基礎高度的設計應以保證設備下部嘴子接出管的管底距地坪或平臺凈空不小于250 mm為原則，當管底有放凈閥時，放凈閥至地坪或平臺至少應有200 mm凈空。管道上各種儀表(如壓力計、溫度計、孔板等)的安裝應選擇合理的位置，使測量具有代表性，且應設在主要操作通道及易于觀測和檢修的位置。高壓換熱器地面宜加圍堰，圍堰內地面應以3‰～5‰的坡度坡向地漏，靠管箱端宜設排水溝，圍堰應比圍堰內地面高150 mm[2]。

3 管道補償及應力分析

由于連接高壓換熱器的管道溫度都比較高，配管形狀應該有足夠自行補償能力，不應使換熱器管嘴承受過大的力和力矩。此類管道均需要進行應力分析，以確定管道走向是否合理。

管道應力分為一次和二次應力[5]。一次應力是由于壓力、重力和其它外力載荷的作用所產生的應力。一次應力是非自限性的，應力隨著載荷的增加而增加，在管系的應力分析中，首先應使一次應力滿足許用應力值。二次應力是由管道熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用引起。二次應力具有自限性，引起的主要是疲勞破壞。對于二次應力，不超過熱脹許用應力范圍，管道則認為是可靠的。

下面選取高壓換熱器管線其中的一條，利用CAESARII軟件對兩種不同配管方案的一次、二次應力進行分析。

圖2 管線走向“Z”形布置(方案一)

圖3 管線走向增加Π形布置(方案二)

方案一(見圖2)管線走向按“Z”形布置，在換熱器管嘴附近設置支架，用以支撐管道重量，減少管道熱脹時附加在管嘴上的力和力矩。由于高壓換熱器運行時熱脹，管道隨設備嘴子在垂直方向上會有位移變化，為了防止支承點處的位移變化引起荷載轉移，導致嘴子受力過大，支架的形式選為彈簧。方案二(見圖3)為了增加管道柔性，管道走向增加了Π形，以利用管道自身補償吸收其熱脹和端點位移，減少嘴子處受力和力矩。新增的Π形處設置四個彈簧支架用于支撐管道，防止管線脫空，避免與管線連接的上部管嘴受力過大。

表1 方案一應力分析結果

表2 方案二應力分析結果

從應力結果(表1、2)可以看出，方案一和方案二的一次應力最大值均在彈簧支架處，其值非常接近。而比較二次應力最大值的結果，方案二明顯小于方案一，這說明方案二中管線增加了Π形后，管線柔性更好，依靠自身補償吸收了部分熱脹和端點位移，受力變得更小。

表3 方案一 Node 10嘴子受力結果

表4 方案二Node 10嘴子受力結果

表5 方案一Node 260嘴子受力結果

表6 方案二Node 260嘴子受力結果

從嘴子受力結果(表3～6)可以看出，對于NODE 10，除了FY外，方案二嘴子受力和力矩值均明顯要小于方案一，Z向受力和X向力矩縮小近18倍，FY變大是由于方案二中立管長度稍大于方案一。對于NODE 260，嘴子受力和力矩變化沒有NODE 10明顯，FZ、MX 、MY變小，FX、FY、MZ略有增加，此點兩種方案受力效果差不多。從總體來看，由于Π形彎離NODE 10更近，改善NODE 10的受力更明顯一些。

綜合一次二次應力和嘴子受力結果，最終選擇柔性更好的方案二進行高壓換熱器管線的設計。

4 結束語

高壓換熱作為反應流出物和反應進料換熱的主要部分，其管線的可靠性關系到裝置的正常穩定運行。這就要求我們設計時要綜合考慮管道的各項因素，做到既能滿足工藝要求，又要保證管道的本質安全。在前人的經驗基礎上，多思考，多總結，掌握管道設計的規律和要求，努力做到管道設計安全可靠、經濟合理、整齊美觀，為裝置的長周期安全運行提供強有力的保障。