加氢反应器急冷氢管道的配管设计及应力分析_王丽媛.pdf

第 52 卷第 2 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.2 2023 年 2 月 Liaoning Chemical Industry February，2023 收稿日期收稿日期：2022-09-20 作者简介作者简介：王丽媛（1994-），女，辽宁省朝阳市人，2018 年毕业于辽宁石油化工学校油气储运专业，研究方向：有机化工、化工管道设计。加氢反应器急冷氢管道的配管设计 及应力分析 王丽媛 （众一伍德工程有限公司辽宁分公司，辽宁 沈阳 110004）摘 要：在环保标准不断提高的如今，加氢设备逐渐在石化行业中得到广泛应用，而反应器作为一种关键设备需对其予以高度重视。在针对加氢反应器进行设计的过程中，应当结合反应器运行温度偏高的特性，增加急冷氢系统，用于改善床层温度分布，确保加氢反应器床层的温度始终控制在安全、合理的范围之内，促使所选用的催化剂活性可以稳定地保持在最佳效果，进而提升反应效率。结合加氢反应器的急冷氢管道配管设计要点进行探究，同时结合案例针对管道设计的应力效果进行分析。关 键 词：急冷氢管道；配管设计；应力分析；加氢反应器 中图分类号：TQ052 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）02-0235-03 加氢反应器正常运行时，设备会因温度升高而出现热胀反应，相应的急冷氢管道也会出现膨胀和升温。急冷氢管道注入氢气后会有温度偏低的特性，由于管道内部介质是氢气，因而在出现泄露问题时不会被轻易察觉。一般情况下，注入急冷氢的温度需控制在 6080，加氢反应器的温度需控制在200400，而两者之间的热胀量也存在着明显差异，这就需要设计急冷氢管道时需要充分考虑配管的应力性能，避免因热胀反应破坏管道，造成氢气泄露，以此确保急冷氢管道不会潜藏安全风险。1 加氢反应器急冷氢管道配管设计要点 加氢反应器的急冷氢管道设计流程主要有以下内容：设计选用自混氢总线或是另设分支线作为注入氢气的主要管道；设计主要用于控制催化剂床层温度的各类基础构件，包括一个氢气流量测量仪表、一个安装在管道根部的闸阀，且该闸阀后侧需要增设一个调节阀组，以确保控制效果；设计热电偶位置和数量，一般情况下可以在催化剂床层的同一高度布设一个具备多点位功能的热电偶或分布设置 34 个独立运行的热电偶1。需要注意的是，采集温度数据时应当以各个热电偶的平均数作为依据。除此之外，需要在急冷氢管道调节阀与加氢反应器相接的位置增设分别增设一个止回阀和 Y 型阀，其中止回阀的设计应当更靠近于加氢反应器一侧，用以防止氢气产生逆流，而 Y 型阀应当设计在止回阀的上端，便于调节氢气流量2。从加氢反应器的急冷氢管道配管设计实际情况来看，影响设计效果和质量的因素主要有开口方位、配管要求、管道等级等，为保证急冷氢管道设计效果，需注重以下具体设计要点：1.1 开口方位 加氢反应器与急冷氢管道的连接位置需靠近反应器内部的急冷氢箱，便于后期进行维护检修，使箱体的抽出和插入不受其他因素影响3。因此，针对急冷氢管道开口方位进行具体设计的过程中，需要充分考虑反应器内设箱体的抽出空间，尽可能避免出现正面朝向加氢反应器立柱或是斜拉的设计，同时要保证箱体与其相邻的热电偶之间存在一定角度，该角度可控制为 90。1.2 明确管道等级 距离加氢反应器更近的急冷氢管道一侧温度会偏高，此外其他位置的温度一般较低，通常在 80 左右的范围4。因此，在明确急冷氢管道运行实际压力等级后，应当综合考虑管道材料选用标准，需主选可以满足高温环境条件的管道材料，以此避免因管道耐高温性能较差，导致材料出现非必要浪费。与此同时，需对 Y 型阀和闸阀的选材进行明确，例如，在加氢反应器与Y型阀之间还存在一个止回阀，因而以 Y 型阀为界时，其前段部分的材质可选用碳钢，其后端包括 Y 型阀的材质可选用不锈钢，同时需要增设一对法兰变更材质，以保障管道安全性5。1.3 调节阀的设计 就急冷氢管道的止回阀设计和安装来说，其作DOI:10.14029/ki.issn1004-0935.2023.02.003236 辽 宁 化 工 2023 年2 月 为关键的调节阀，应当设计并安装在距离加强反应器更近的急冷氢注入口，以此避免发生油气逆流问题，甚至出现油漆进入氢气产生安全隐患。Y 型阀与闸阀的设计和安装位置，应当在距离注入急冷氢端口的3 m(管道长度)处，促使碳钢一侧的温度条件更加靠近急冷氢的温度标注6。一般情况下，用于调节控制急冷氢管道温度的调节阀组需设计并安装于在地面之上。变更材质的一对法兰以及材质为不锈钢的阀门可设计并安装在符合距离规定的具体位置，或是与调节阀组一并设计并安装在地面之上7。1.4 配管要求 正常情况下，急冷氢管道的温度变化不会十分剧烈，但距离加氢反应器端口位置的环境温度会相对偏高，且加氢反应器的冷氢管嘴容易因环境温度变化而出现升温8。为有效确保注入氢气的端口不会发生泄漏问题，防止加氢反应器对急冷氢管道产生过大的应力拉扯，需充分考虑急冷氢管道的柔性标准，同时在配管设计中加强急冷氢管道应力分析和计算，以此明确设置弹簧支吊架的位置，从而全面确保急冷氢管道实际应用效果。设计急冷氢管道是应结合其用途，即此类管道主要用于向催化剂床层注入急冷氢，便于实时掌握和控制反应器中的催化剂床层温度。通常情况下，急冷氢温度为 70 左右，而反应器温度大多在 400 左右，若是加氢过程中反应器出现热膨胀反应，急冷氢管道很有可能出现明显上移，这也是急冷氢管道配管设计时要做到柔性设计的主要原因之一，确保配管和急冷氢装置上层梁平台有可用空间，避免有回阀情况。配管设计时需对阀门规划和反应器安装等进行综合考虑，既要方便应急操作，也要避免出现支架脱空。急冷氢管道配管设计中需视具体情况增加弯管设计，并设计弹簧支架。其中设计弹簧支架和弯管构造时，需结合配管应力分析结果，确保弹簧和弯管可以起到应有作用确保加氢过程安全。2 加氢反应器急冷氢管道配管设计案例及应力分析 由于应力拉扯作用仅体现在急冷氢管道距离加氢反应器更近一侧的管口处，因而在针对急冷氢管道进行配管设计时，一般会选择利用“型弯”消除因拉扯产生的应力，进而确保管道应用效果9。当前，“型弯”管道设计主要有两种，即立式型管道和水平式管道。以某加氢反应器为例，分别介绍两种配管设计方式，两种急冷氢管道设计如图1 所示。借助计算机软件对上述两种利用“型弯”设计的急冷氢管道进行应力分析。两种急冷氢管道的配管设计方式均将管线支架安装于加氢反应器的平台上，并且在管道的第一个转弯处设计并安装恒力弹簧吊架，同时设计了“门型”的支架用作支撑弹簧的生根位置。两种“型弯”设计的急冷氢管道应力分析如下：（a.立式型管道，b.水平型管道）图 1 两种急冷氢管道示意图 2.1 支架方式 立式“型弯”：在管道的第一个转弯处设计恒力弹簧吊架，“型弯”贯穿下侧平台的位置设计一般弹簧架，依据“型弯”的情况在计算机软件中输入选用的弹簧架支架方式。“型弯”后侧竖向贯穿反应器平台的位置设计导向架和弹簧架；水平“型弯”：在管道的第一个转弯处设计恒力弹簧吊架，“型弯”的对角转弯处后侧设计一般弹簧架，依据“型弯”的情况在计算机软件中输入选用的弹簧架支架方式。“型弯”后侧竖向贯穿反应器平台的位置设计导向架和弹簧架10。2.2 安装恒力弹簧架 用于加氢反应器的急冷氢管道弹簧支吊架以及导向架，一般要固定在反应器的实体平台上。管道第一个转弯处安装的弹簧架应当选用恒力弹簧吊架，由于该处位置会产生较大的位移，因而需根据实际情况选用两种不同的弹簧架安装方式。第一种是将恒力弹簧架安装在平台下侧，这种情况可选用的恒力弹簧架规格有 PA 型和 PE 型两种，具体应依据固定梁的实际情况明确，固定于反第 52 卷第 2 期 王丽媛：加氢反应器急冷氢管道的配管设计及应力分析 237 应器平台梁位置，需将恒力弹簧架安装在平台下侧，以此能够有效降低反应器拥挤率，便于工作人员后续的维护和检修。需要注意的是，安装恒力弹簧架应当充分考虑配管与弹簧架之间的空间协调性，确保反应器平台下侧有充足的弹簧架安装预留空间。第二种是将恒力弹簧架安装在反应器平台的上侧，此类情况需选用 PD 型恒力弹簧架，安装时需要在平台上侧设置“门型”支架，用以有效固定恒力弹簧架，通过上侧安装恒力弹簧架不会对反应器平台的下侧空间造成过多影响，因而不会对管道设计产生制约，但将占据一定位置的反应器操作空间，因此可以在加氢反应器操作平台空间充足时选用此类安装方法11。2.3 受力分析 为加强受力分析准确性和可靠性，本文在立式型管道和水平型管道上各选择了四个位置的受力数据（最大值），具体情况如表 1 所示。表 1 各位置受力数据统计表 设计方式 加氢反应器急 冷氢注入端口/N 恒力弹 簧架/N 一般弹 簧架/N 导向 架/N 立式型管道 110 3 677 2 492 115 水平型管道 2 206 6 468 2 320 248 同时，为确保受力分析具备实践价值，针对以上四个位置的应力位移情况也进行了数据统计。其中，立式型管道和水平型管道的加氢反应器急冷氢注入端口与恒力弹簧架的位移数据一致，均为87 mm 和 83 mm，但另外两个位置的位移数据显示，立式管道的一般弹簧架和导向架位移情况比水平型管道的更好。综合分析来看，根据该加氢反应器急冷氢管道设计要求，立式型管道和水平型管道的应力和位移情况均符合标准。3 结束语 针对加氢反应器的急冷氢管道配管设计和应力分析得出以下结论：1）急冷氢管道需增设变更材质法兰，距离加氢反应器更近的一侧选用材质为不锈钢的管道，更远的一侧选用材质为碳钢的管道，同时保证法兰距离加氢反应器的急冷氢注入端口的管线长度3 m。2）为便于设计和安装弹簧支吊，同时合理分布急冷氢管道，建议选用立式管道设计。若需要串联多台加氢反应器，各个加氢反应器之间的急冷氢注入端口位置，应考虑温度变化时管道端口的位移情况，以此满足管道应力变化需求。3）可以将急冷氢线上调节阀组布置在地面，Y型阀(或闸阀)及法兰靠近调节阀组安装，便于操作和检修。参考文献：1丁建亚,王俊杰,叶世强,等.加氢反应器入口管线应力分析及配管优化J.化肥设计,2022,60(03):18-20.2李红云,陈盛秒.加氢反应器封头引出管管口载荷引起的局部应力的校核J.广州化工,2021,49(13):130-133.3范强强.加氢反应器设计中接管载荷的处理方法J.石油和化工设备,2021,24(05):43-45.4 范 强 强.浅 谈 加 氢 反 应 器 的 设 计 要 点 J.化 工 装 备 技术,2021,42(02):32-35.5 李 翔,卢 毅.加 氢 装 置 高 压 管 道 配 管 设 计 分 析 J.化 工 管理,2020(17):198-199.6谢雅迪.浅析加氢装置加氢反应器配管J.山东化工,2020,49(03):102.7马明奇.按照 ASME 要求对加氢反应器的优化设计J.一重技术,2019(06):36-41.8尹君东.浅谈渣油加氢装置加氢反应器入口管道的应力分析J.山东化工,2019,48(14):176-177.9于磊.加氢反应器结构设计与优化现状分析J.装备维修技术,2019(02):56-57.10吴宗琼.某加氢反应器进口管道应力问题的解决J.石化技术,2018,25(08):109-110.11孙健博.温度对加氢反应器配管设计的影响J.化工设计通讯,2018,44(07):88.Piping Design and Stress Analysis of Quenching Hydrogen Pipeline in Hydrogenation Reactor WANG Li-yuan(Wood Zone Co.,Ltd.Liaoning Branch,Shenyang Liaoning 110004,China)Abstract:With the continuous improvement of environmental protection standards,the hydrogenation equipme