汽油加氢炉反区管线应力分析要点探讨

高秀宝

(中海油石化工程有限公司 储运室，山东 青岛 266000)

近几年来，国内加氢技术得到长足发展，新建和扩建的千万吨级炼厂多采用加氢技术的工艺流程。加氢工艺是重油深加工的主要工艺技术手段之一，具有生产灵活性大、加工原料范围较广、液体产品收率高、产品质量稳定性好等主要特点，不仅可以生产优质轻质油品、清洁馏分油产品和运输燃料，而且可以为后续化工装置提供优质原料。因此，加氢工艺在炼油和石化企业中越来越受到重视。

加氢反应器、加热炉是加氢工艺装置中的核心设备，操作条件比较苛刻，具有高温、高压、临氢等特点。其配管设计的合理性在催化剂装卸、反应器设备及内件的吊装检修、装置的安全生产等方面都有着举足轻重的作用。与反应器与加热炉关联的管道多采用不锈钢和合金钢，炉反区配管设计的合理性还关系到工程投资的高低。炉反区配管设计中管线应力分析尤为重要。

以某石化公司40万t/a催化汽油加氢装置中的炉反区应力分析过程为例，对分析过程中遇到的一些问题进行探讨，总结汽油加氢炉反区管线应力分析要点。

1 应力分析建模基础

该加氢装置炉反区部分管系的流程涉及两种工况，正常操作工况与硫化工况。

流程主要为催化汽油原料由界区送入装置，经过催化汽油过滤系统(103-S101)，脱除大于10 μm以上的固体颗粒物质后，进入到原料缓冲罐(103-D101)。经催化汽油进料泵(103-P101AB)升压后，由流量控制与新氢混合，经蒸汽加热器(E103)加热将温度提高到150℃以上，送入保护反应器(103-R101AB)，保护反应器一开一备，切换使用。原料在预加氢反应器(103-R102)内进行二烯烃饱和硫醇的转化处理，后经反应产物与预加氢反应原料换热后，至催化汽油切割塔(103-C101)进行分离。催化汽油切割塔塔底重汽油经催化汽油切割塔底泵(103-P103AB)升压后，进入加氢精制反应器(103-R201)，进行选择性加氢脱硫和脱硫醇反应。加氢脱硫反应器(103-R201)的温度通过控制反应进出料换热器(103-E201AB)冷侧旁路阀流量，来控制加氢精制反应器入口温度。加氢脱硫反应器中段设冷氢线。加氢脱硫反应器(103-R201)出口物流去加氢反应加热炉(103-F201)，升温后送入到加氢脱硫醇反应器(103-R202)脱除硫醇，再经加氢进料经反应进出料换热器(103-E201AB)换热后，经加氢产物空冷器(103-A201A～D)、加氢产物水冷器(103-E202)冷却后进入低压分离器(103-D201)分离。

图1 炉反区平面布置图

图2～5为各种工况的模型示意图。图2与图3为操作工况时应力模型输入(保护反应器为A开B备)。图4与图5为硫化工况时应力模型输入。管线材质皆为06Cr18Ni11Ti。

图2 操作工况下炉反区应力模型温度输入

图4 硫化工况下炉反区应力模型温度输入

图5 硫化工况下炉反区应力模型压力输入

2 炉反区管线应力分析要点讨论

2.1 加热炉管线的应力分析

图6 加热炉入口炉管示意图

图7 加热炉出口炉管示意图

加热炉管线是整个系统中温度最高的部分，操作工况与硫化工况的流程中都有加热炉的参与。由于加热炉设备与炉管的特殊性，进出加热炉的管道建模时不能只建到加热炉进出口处就加上固定架，而是需要将部分炉管甚至是全部的炉管都建入模型中。这就需要在建立模型时，对加热炉炉管图纸进行分析，由于炉管支架的特殊性，对于炉管支架的模拟与边界条件的限制其实是很困难的，因此只要尽可能的接近实际即可。加热炉炉管图纸如图6与图7所示。加热炉进出口应力模型如图8所示。

图8 加热炉进出口应力模型

2.2 预硫化管线的应力分析

预硫化工况最高温度达到315℃。在此工况的应力分析中，尤其要注意管线的热胀引起的位移与变形。由图4可以看出，预硫化管线跨度较长，水平段的长度为80 m，管线热胀产生的位移会很大，以至于影响旁边管线。因此需要自然补偿，通常设置π型弯，增加直管段的柔性，降低热胀的影响。π型弯的设置主要以增加介质走向垂直方向的直管段来提高补偿效果，并在π型弯两侧设置合适的固定架与导向架。

2.3 反应器顶部管线的应力分析

反应器顶部入口管线随着反应器的热胀，会产生较大的向上位移，而反应器的框架为独立框架，并不跟着反应器一同热胀。反应器顶部管线支架为了实现承重功能，必然需要设置弹簧支架。一般常用可变弹簧支吊架，可变弹簧适用于支撑点有垂直位移，用刚性支撑会脱空或造成过大热胀推力的场合；恒力弹簧支吊架适用于垂直位移量较大或受力要求苛刻的场合，避免冷热态受力变化太大，导致设备受力或管系应力超标。因此，当热胀量很大时，需要设置恒力弹簧支架或者吊架。在设计反应器框架时，应充分考虑弹簧支吊架所需的安装空间、支撑点位置与集中荷载等条件。

反应器顶部的热胀会对反应器顶部安全阀的安装产生影响。反应器顶的安全阀平时处于冷态，安全阀管线由反应器顶入口管线接出，而反应器顶入口管线的温度比较高，这样导致在操作状态时，安全阀管线的支架容易发生脱空。改变管子的走向，增加π型弯，可以增加安全阀管线的柔性，减少热位移对管系影响，在不增设弹簧支吊架的情况下，避免承重支架脱空，增加安全阀管系的稳定性。如图9所示。

图9 优化后的预加氢反应器安全阀管线模型

2.4 高压换热器的应力分析

高压换热器的配管，需要注意支架的设置，必要时可以增加门型架来支撑进出换热器的管线。换热器管嘴受力也是应力计算的一项重点，因此高压换热器管嘴附近的支架是否存在由于热胀而脱空的现象，是需要注意的问题。如图10所示，由于在1123节点与6233节点发生了脱空，导致换热器的管嘴受力增大，因此，在脱空的位置设置了一个小π型弯，使支架避免脱空，满足跨距的要求，换热器管嘴Y方向上受力也随之减小。

图10 高压换热器应力分析模型

3 结论

将炉反区作为一个体系建模来做应力分析，更有利于分析不同工况下整个系统的不同的受力情况，分析结果更为准确。

加热炉部分建模时要对炉管设备图纸进行分析，确定合适的炉管支架的模拟与边界条件模拟方案，以便建立更加准确的应力模型。

对于热胀大的区域，要注意管线之间的相互影响与管线对管嘴的推力影响，必要时可以通过增加管子柔性来降低影响，并优先考虑自然补偿方案。