汽油加氫爐反區管線應力分析要點探討

高秀寶

(中海油石化工程有限公司 儲運室，山東 青島 266000)

近幾年來，國內加氫技術得到長足發展，新建和擴建的千萬噸級煉廠多采用加氫技術的工藝流程。加氫工藝是重油深加工的主要工藝技術手段之一，具有生產靈活性大、加工原料范圍較廣、液體產品收率高、產品質量穩定性好等主要特點，不僅可以生產優質輕質油品、清潔餾分油產品和運輸燃料，而且可以為后續化工裝置提供優質原料。因此，加氫工藝在煉油和石化企業中越來越受到重視。

加氫反應器、加熱爐是加氫工藝裝置中的核心設備，操作條件比較苛刻，具有高溫、高壓、臨氫等特點。其配管設計的合理性在催化劑裝卸、反應器設備及內件的吊裝檢修、裝置的安全生產等方面都有著舉足輕重的作用。與反應器與加熱爐關聯的管道多采用不銹鋼和合金鋼，爐反區配管設計的合理性還關系到工程投資的高低。爐反區配管設計中管線應力分析尤為重要。

以某石化公司40萬t/a催化汽油加氫裝置中的爐反區應力分析過程為例，對分析過程中遇到的一些問題進行探討，總結汽油加氫爐反區管線應力分析要點。

1 應力分析建模基礎

該加氫裝置爐反區部分管系的流程涉及兩種工況，正常操作工況與硫化工況。

流程主要為催化汽油原料由界區送入裝置，經過催化汽油過濾系統(103-S101)，脫除大于10 μm以上的固體顆粒物質后，進入到原料緩沖罐(103-D101)。經催化汽油進料泵(103-P101AB)升壓后，由流量控制與新氫混合，經蒸汽加熱器(E103)加熱將溫度提高到150℃以上，送入保護反應器(103-R101AB)，保護反應器一開一備，切換使用。原料在預加氫反應器(103-R102)內進行二烯烴飽和硫醇的轉化處理，后經反應產物與預加氫反應原料換熱后，至催化汽油切割塔(103-C101)進行分離。催化汽油切割塔塔底重汽油經催化汽油切割塔底泵(103-P103AB)升壓后，進入加氫精制反應器(103-R201)，進行選擇性加氫脫硫和脫硫醇反應。加氫脫硫反應器(103-R201)的溫度通過控制反應進出料換熱器(103-E201AB)冷側旁路閥流量，來控制加氫精制反應器入口溫度。加氫脫硫反應器中段設冷氫線。加氫脫硫反應器(103-R201)出口物流去加氫反應加熱爐(103-F201)，升溫后送入到加氫脫硫醇反應器(103-R202)脫除硫醇，再經加氫進料經反應進出料換熱器(103-E201AB)換熱后，經加氫產物空冷器(103-A201A～D)、加氫產物水冷器(103-E202)冷卻后進入低壓分離器(103-D201)分離。

圖1 爐反區平面布置圖

圖2～5為各種工況的模型示意圖。圖2與圖3為操作工況時應力模型輸入(保護反應器為A開B備)。圖4與圖5為硫化工況時應力模型輸入。管線材質皆為06Cr18Ni11Ti。

圖2 操作工況下爐反區應力模型溫度輸入

圖4 硫化工況下爐反區應力模型溫度輸入

圖5 硫化工況下爐反區應力模型壓力輸入

2 爐反區管線應力分析要點討論

2.1 加熱爐管線的應力分析

圖6 加熱爐入口爐管示意圖

圖7 加熱爐出口爐管示意圖

加熱爐管線是整個系統中溫度最高的部分，操作工況與硫化工況的流程中都有加熱爐的參與。由于加熱爐設備與爐管的特殊性，進出加熱爐的管道建模時不能只建到加熱爐進出口處就加上固定架，而是需要將部分爐管甚至是全部的爐管都建入模型中。這就需要在建立模型時，對加熱爐爐管圖紙進行分析，由于爐管支架的特殊性，對于爐管支架的模擬與邊界條件的限制其實是很困難的，因此只要盡可能的接近實際即可。加熱爐爐管圖紙如圖6與圖7所示。加熱爐進出口應力模型如圖8所示。

圖8 加熱爐進出口應力模型

2.2 預硫化管線的應力分析

預硫化工況最高溫度達到315℃。在此工況的應力分析中，尤其要注意管線的熱脹引起的位移與變形。由圖4可以看出，預硫化管線跨度較長，水平段的長度為80 m，管線熱脹產生的位移會很大，以至于影響旁邊管線。因此需要自然補償，通常設置π型彎，增加直管段的柔性，降低熱脹的影響。π型彎的設置主要以增加介質走向垂直方向的直管段來提高補償效果，并在π型彎兩側設置合適的固定架與導向架。

2.3 反應器頂部管線的應力分析

反應器頂部入口管線隨著反應器的熱脹，會產生較大的向上位移，而反應器的框架為獨立框架，并不跟著反應器一同熱脹。反應器頂部管線支架為了實現承重功能，必然需要設置彈簧支架。一般常用可變彈簧支吊架，可變彈簧適用于支撐點有垂直位移，用剛性支撐會脫空或造成過大熱脹推力的場合；恒力彈簧支吊架適用于垂直位移量較大或受力要求苛刻的場合，避免冷熱態受力變化太大，導致設備受力或管系應力超標。因此，當熱脹量很大時，需要設置恒力彈簧支架或者吊架。在設計反應器框架時，應充分考慮彈簧支吊架所需的安裝空間、支撐點位置與集中荷載等條件。

反應器頂部的熱脹會對反應器頂部安全閥的安裝產生影響。反應器頂的安全閥平時處于冷態，安全閥管線由反應器頂入口管線接出，而反應器頂入口管線的溫度比較高，這樣導致在操作狀態時，安全閥管線的支架容易發生脫空。改變管子的走向，增加π型彎，可以增加安全閥管線的柔性，減少熱位移對管系影響，在不增設彈簧支吊架的情況下，避免承重支架脫空，增加安全閥管系的穩定性。如圖9所示。

圖9 優化后的預加氫反應器安全閥管線模型

2.4 高壓換熱器的應力分析

高壓換熱器的配管，需要注意支架的設置，必要時可以增加門型架來支撐進出換熱器的管線。換熱器管嘴受力也是應力計算的一項重點，因此高壓換熱器管嘴附近的支架是否存在由于熱脹而脫空的現象，是需要注意的問題。如圖10所示，由于在1123節點與6233節點發生了脫空，導致換熱器的管嘴受力增大，因此，在脫空的位置設置了一個小π型彎，使支架避免脫空，滿足跨距的要求，換熱器管嘴Y方向上受力也隨之減小。

圖10 高壓換熱器應力分析模型

3 結論

將爐反區作為一個體系建模來做應力分析，更有利于分析不同工況下整個系統的不同的受力情況，分析結果更為準確。

加熱爐部分建模時要對爐管設備圖紙進行分析，確定合適的爐管支架的模擬與邊界條件模擬方案，以便建立更加準確的應力模型。

對于熱脹大的區域，要注意管線之間的相互影響與管線對管嘴的推力影響，必要時可以通過增加管子柔性來降低影響，并優先考慮自然補償方案。