加氢反应器入口管线应力分析及配管优化

丁建亚，王俊杰，叶世强，王英杰，潘荣健

(镇海石化工程股份有限公司，浙江 宁波 315000)

加氢反应是放热反应，高温、临氢等苛刻的操作条件使得反应器入口的管口法兰处应力校核难以通过。为了保障加氢反应器能够长周期平稳运行，配管设计应充分考虑到高温状态下管道的柔性，通过合理设置管道支架、规划管道走向，减少因应力原因造成的管道损伤[1]。

本文以某石化装置电加热器H101出口至加氢反应器F101入口管线优化的实际案例为基础,对比分析多种优化方案的法兰应力校核结果，进而对配管方案进行优化。

根据一般经验，管道上法兰处的应力(不计内压产生的管道应力)应控制在相应温度下的法兰最大允许工作压力以下，则不会发生泄漏[2]。当量压力法[3]是一种较为准确的法兰校核方法，可将法兰所承受的外力和力矩折合为当量压力Peq以表示法兰处所受应力，具体可按式(1)计算：

Peq=16M×1000/(π×D3)+4×F/(π×D2)

(1)

式中，Peq为当量压力，MPa；
M为法兰承受的弯曲力矩，N·m；
F为法兰承受的拉力，N；
D为垫片的计算直径，mm。

法兰的计算压力按式(2)计算：

P=P1+Peq

(2)

式中，P1为管道的工作压力，MPa。

法兰的详细计算方法见国家标准钢制压力容器GB150[4]标准。本文采用CAESAR II中的法兰校核模块进行核算，通过模拟计算出法兰的计算压力与相应温度下的法兰最大允许工作压力，并进行对比。其比率小于100%即可认为法兰校核通过，但在实际设计中，为了留出足够裕量，其比率最大一般不超过80%。

本案例来自溶剂油加氢装置。加氢反应器F101与电加热器H101的相对位置见图1。加氢反应器材质为15CrMoR、电加热器筒体材质为S32168III，两台设备管口公称直径均为250 mm,公称压力均为PN110(10.0 MPa)。溶剂油加氢装置在生产时主要有运行态和预硫化态两种工况，反应器入口管线在不同工况下的参数见表1。装置原始配管方案见图2。

图1 设备平面布置

表1 反应器入口管线基本参数

图2 原始配管方案

由于预硫化态在实际生产中时间不长，设计人员在原始配管方案时仅考虑了运行态下的管道工况。加氢反应器F101与电加热器H101间的管线基本以最经济的方式连接，仅在反应器出口设置一台TD30C12型号的弹簧，此种配管方案柔性不足，通常只适用于常温、小管径的管道系统[5，7]。其管口受力情况见表2，管口法兰校核情况见表3。

由表2、表3可以看出，原始配管方案在运行态的90 ℃工况下，勉强可以做到应力不超标。当温度达到预硫化态的350 ℃时，各管口Y/Z两个方向受力增大，其工作压力与最大允许工作压力的比率远远超出100%，理论上来说，法兰存在较大的泄漏风险。而在实际生产的预硫化过程中，反应器入口管线南北向膨胀量和反应器自身膨胀量过大，现场通过肉眼可见的管道位移能够明显观察到应力集中在电热器H101的出口管嘴上，发生了小区域的塑性形变[4]，与模拟计算的结论相同。

表2 原始配管方案管口受力情况

表3 原始配管方案管口法兰校核情况

为了优化预硫化态时各管口Y/Z两个方向上的受力，现对两种较为合适的方案进行比选。运行态管口法兰校核易于通过，以下方案比选时不再赘述。改造方案对比见图3。方案1通过Y向竖管及X向的双π弯补偿增加了管道柔性，在不设弹簧的情况下，吸收了Z方向的推力，使加氢反应器和电加热器管口FZ值减少了很多，同时MX值也减少了很多，管口扭矩得到较大改善。但该方案使加氢反应器入口管道弯头过多，增大了管道压降，且在改造过程中受限于现场管位，实施过程难度较大。方案2因原有TD30C12型弹簧载荷变化率及位移量超标，将原有TD30C12型弹簧更换为TD120C15型弹簧，在现有管位紧张的条件下，仅在电加热器出口处设置小型π弯补偿。此方案在保证管道柔性的前提下，尽量减少了应力优化带来的管道压降，降低了施工难度。两方案管口受力及法兰校核对比见表4、表5，其管口受力及法兰校核均满足要求，但是综合比较来看，方案2更优。

图3 改造方案对比

表4 改造方案预硫化态管口受力对比

表5 改造方案预硫化态法兰校核对比

尽管方案2通过了法兰校核，但电加热器管口法兰校核比率仍大于80%。根据现场实际情况，方案2已在有限的空间内做到了管路优化，通过管位微调几乎无法将电加热器管口法兰校核比率降至更低，需要从其他方向入手来解决。通过观察表4、表5，可以发现造成电加热器管口工作压力过大的原因主要是FZ值过大，除去管道布置的因素，影响FZ值的主要变量是电加热器设备自身的膨胀量，也就是其管口初始位移。根据图1所示电加热器固定端的位置，在预硫化态350 ℃的情况下，我们所计算出的管口Z方向初始位移约为18mm。方案2就是在此基础上优化得出的结果。如果将电加热器鞍座底板的固定端与滑动端位置对调，在同样的工况下可计算出管口Z方向初始位移降低至约5 mm。以此为基础进行重新模拟校核得到方案3，其管口受力及法兰校核对比见表6、表7，可见FZ值减小，电加热器管口工作压力成功降低，法兰校核比率降至77.53%。此方案在方案2的基础上，仅需对电加热器的鞍座底板进行适当改造，具有很高的可行性。

表6 方案3预硫化态管口受力

表7 方案3硫化态法兰校核

加氢反应器作为加氢装置的核心，其入口管线的应力分析及配管优化一直是配管设计的重中之重。设计人员在配管新建项目设计中，首先要考虑到不同工况对设备管口应力的影响。

在制定配管方案时，还应充分考虑到高温状态下管道的柔性，减少因应力原因造成的管道损伤，同时在热应力管线周围应预留足够的空间，以避免在后续修改管道路的过程中，因空间局促而出现与其他管线碰撞的情况。在改造项目设计中，设计人员应利用现场现有条件对管道柔性进行最大程度优化，在管道布置无法进一步降低应力的同时，要通过设备自身膨胀来控制管口初始位移的方式来消解部分应力。此外，配管过程中应综合考虑管道压降、施工难度、现场空间等多方面因素，在保证法兰校核满足要求的情况下，使管路更加简洁、经济。