淺談渣油加氫裝置加氫反應器入口管道的應力分析

尹君東

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

1 引言

渣油加氫裝置是煉油廠中重要的渣油加工裝置，可以有效脫除渣油中的金屬、硫、氮以及殘碳等雜質。隨著原油的劣質化程度的提高和日益嚴格的環保法規的施行，更加凸顯其重要性。渣油加氫反應器是渣油加氫裝置的關鍵核心設備，其工作條件十分嚴苛，具有高溫(設計溫度454℃)、高壓(設計壓力19.11MPa)、臨氫和臨硫化氫等特點，相應的與其相連接的管道在渣油加氫裝置中至關重要。本文結合某套已經建成投產的渣油加氫裝置對渣油加氫裝置第一反應器入口管道的設計和應力分析進行簡單的討論。

2 第一反應器進口管道的特點

第一反應器的入口管道是從反應進料加熱爐輻射排管出口到第一反應器的入口，其設計條件如下：設計溫度415℃，設計壓力19.11MPa，操作溫度395℃，操作壓力18.2MPa，管道材質為ASTM A376 TP321，管道直徑和壁厚分別為219.1mmX28mm和323.8mmX38mm。從以上參數可以看出管道的計算溫度很高，壓力也很高，管道為厚壁管道，而且不銹鋼材質的線膨脹系數較大，所以本管系的剛度會比較大，柔性比較差。本管系的應力分析結果中，要考核的結果有管道的一次應力，二次應力，管道的熱位移，第一反應器入口的法蘭受力，反應進料加熱爐輻射排管出口的管嘴受力等，這些計算結果都要滿足相應的規范要求。其中難點是第一反應器入口的法蘭受力要滿足設備專業的要求，反應進料加熱爐輻射排管出口的受力要滿足《SH/T 3036 一般煉油裝置用火焰加熱爐》里面規定的加熱爐管口的受力要求。由于《SH/T 3036 一般煉油裝置用火焰加熱爐》里面規定的加熱爐管口的受力只與管口的公稱直徑有關，因此對于厚壁的管系作用在加熱爐管口的載荷會比較大，所以管道應力專業應該與加熱爐專業協商適當放寬對于加熱爐管口的受力限制。第一反應器入口的法蘭受力，由于其壓力等級很高，所以能夠承重的荷載也比較大，一般都可以校核通過。

本管系的管道應力計算采用的計算軟件是CAESAR II 。在模擬本管系時應該注意事項有：

(1)根據爐管的結構形式準確模擬爐管，爐管的結構形式直接影響工藝管道的布置和支撐形式。

(2)要考慮燒焦線對加熱爐管嘴受力的影響，盡可能詳細模擬。

(3)本管系的介質是氣液兩相流，因此在設計時應該考慮一定的防振措施。

(4)由于本管系的溫度很高，應該考慮支架處的摩擦力對管系的影響，支架處的水平位移都比較大，設計支架和管托時要注意。

(5)在靠近反應器入口的位置，應該考慮設置剛性承重支架以方便管道檢修。

3 第一反應器進口管道的計算

下面通過幾個布置和計算方案的對比來討論該管系的應力分析思路。

(1)布置方案1，如圖1所示。從圖1中可以看出該方案布置簡潔，管道拐彎較少，節省管道和管件，整個管系的固有頻率較高，剛度較大，管道振動的概率較小。

圖1 布置方案1

方案1中爐子管嘴(10點、210點)和反應器入口管嘴(460點)的受力見表1。

表1 布置方案1中爐子管嘴(10點、210點)和反應器入口管嘴(460點)的受力

從表1中我們可以看到在管道按照圖1的方案布置時，加熱爐出口管嘴在爐管軸向方向的受力(10點和210點在X方向的受力FX)顯然已經超出《SH/T 3036 一般煉油裝置用火焰加熱爐》里面規定的加熱爐管口的受力要求太多，加熱爐很難承受。反應器入口管嘴(460點)受力較小可以滿足要求。

(2)布置方案2，如圖2所示。從圖2中可以看出相比較方案1，方案2在加熱爐和第一反應器之間增加了一個U型彎，管道的柔性增大，相應管道的剛度下降了，因此要考慮增加適當的防振措施。

圖2 布置方案2

方案2中爐子管嘴(10點、210點)和反應器入口管嘴(460點)的受力見表2。

表2 方案2中爐子管嘴(10點、210點)和反應器入口管嘴(460點)的受力

從表2中我們可以看到在管道按照圖2的方案布置時，加熱爐出口管嘴(10點和210點)受力滿足《SH/T 3036 一般煉油裝置用火焰加熱爐》里面規定的加熱爐管口的受力要求，校核通過。反應器入口管嘴(460點)受力較小可以滿足要求。

4 結束語

本文分析了渣油加氫裝置中第一反應器入口管線的工藝特點、應力計算的注意事項，并且通過具體的工程實例分析了加熱爐管嘴和反應器管嘴受力情況。我們可以得出一些經驗即渣油加氫裝置加氫反應器入口管道的應力計算要在管道的整體剛度和設備管嘴受力之間取得很好的平衡。