浅谈加氢反应器急冷氢管道的配管设计及应力分析

陆 聪，郭 栋，荆举祥

(山东三维石化工程股份有限公司，山东 淄博 255434)

加氢是指石油馏分在氢气及催化剂作用下化学反应的加工过程，加氢可以分为加氢精制、加氢裂化、临氢降凝、加氢异构化等[1-3]。反应器是加氢装置中非常重要的核心设备，操作条件比较苛刻，具有高温、高压、临氢等特点[4-6]，为控制反应器床层温升，平衡催化剂床层间的热量分布，催化剂床层之间需要注入急冷氢。加氢反应器通常设置一个或几个急冷氢注入点，急冷氢经管道注入反应器急冷氢箱内。急冷氢管道的特点是温度不高，管道内介质为氢气，泄漏不易被发现。

通常反应器冷氢注入点根据反应器床层温确定，急冷氢注入点均匀分布在反应器筒体上。装置运行时，反应器由于升温产生热膨胀，急冷氢管口随反应器膨胀而升高。急冷氢一般操作温度在60～80℃，反应器温度为200～400℃，二者热胀量存在较大差别，这就导致了高处冷氢管嘴对冷氢管线存在拉扯作用。冷氢管口位置越高，拉扯作用越明显，严重时会破坏管道，导致氢气泄露。由于氢气爆炸极限较宽，泄露存在较大的爆炸风险，这就要求对急冷氢管线的配管和应力分析进行严格的规划及应力分析，以确保装置正常运行时，急冷氢管线不存在安全隐患。

1 急冷氢管道的配管注意事项

反应器急冷氢管线的流程通常为：自混氢总线或分支线引出，设置一个流量计、一个根部闸阀，闸阀后设置一个调节阀组，控制催化剂床层温度，通常床层在同一高度处设置3～4个热电偶或一个多点热电偶，温度信号取各热电偶的均值。调节阀与反应器之间设置一个Y型阀，一个止回阀，止回阀靠近反应器安装，防止介质逆流，Y型阀设置在止回阀上游。影响急冷氢管线布置的因素有管口方位、阀门的设置及材质等级分界等[2,7]。注意事项如下：

1.1 开口方位

急冷氢管道与反应器内部急冷氢箱相连接，检修和安装时需要抽出和插入(如果有需要)，急冷氢口方位设计时，应考虑抽出空间，不应正对反应器构架立柱或斜撑，且与相邻插入式热电偶有一定的角度(推荐值为90°)。

1.2 管道等级确定

急冷氢管道靠近反应器处温度较高，其他部分温度较低(～80℃)。因此，在确定急冷氢管道压力等级时，应考虑即满足高温要求又不会造成材料的浪费。通常以Y型阀(或闸阀，以下以Y型阀为例)为界，Y型阀与反应器之间为止回阀，Y型阀前为碳钢，Y型阀后(包括Y型阀)为不锈钢材质，需增加一对法兰变更材质。

1.3 调节阀组的安装

急冷氢管道上止回阀应靠近反应器上急冷氢口安装，防止油气逆流入氢气系统。Y型阀(或闸阀)应距急冷氢口≮3 m(管道长度)，以使碳钢侧温度接近急冷氢介质温度。急冷氢管道上温控调节阀组一般布置在地面上。变材质法兰及不锈钢阀门可以布置在满足距离要求的平台上，也可以与调节阀组一起布置在地面上。前者便于节省投资，后者便于操作。建议阀门组布置在地面上。

1.4 配管要求

急冷氢管道介质温度不高，但靠近反应器管嘴处温度较高，且反应器冷氢管嘴会随反应器的热涨而升高。为保证注氢管嘴无泄漏，避免反应器对管道进行拉扯，急冷氢管道设计时，应考充分考虑管道的柔性。虽然急冷氢管道温度不高，但在管道设计中也应进行管道应力计算，并在适当位置设置弹簧支吊架。

2 急冷氢管道的配管举例

(a)立式π型弯，(b)水平π型弯

由于急冷氢管线仅有管口处的反应器拉扯位移，所以在设计急冷氢管道的配管时通常设置一个“π型弯”即可消除由此产生的应力。“π型弯”的设计分为立式“π型弯”和水平“π型弯”两类，以某加氢装置为例，分别介绍两种配管方式(图1为两种配管形式的示意图)。

(a)冷氢线上段及第一个弹簧架位置,(b)冷氢线中段及第二个弹簧架位置,(c)冷氢线下段及第一个导向架位置(图中圆圈所示为弹簧架位置，方框所示为导向架位置)

图2 立式“π型弯”应力分析模型示意图

(a)冷氢线上段及第一、二个弹簧架位置,(b)冷氢线中段及第三个弹簧架位置,(c)冷氢线下段及第一个导向架位置(图中圆圈所示为弹簧架位置，方框所示为导向架位置)

图3 水平“π型弯”应力分析模型示意图

采用CAESARⅡ软件对以上两种配管形式进行应力分析,应力分析模型如图2、图3所示。两种配管方式的管线支架设置均依托反应器构架平台，一般在第一个弯头处设置恒力弹簧吊架，可以设置在平台以上，设置“门型”架作为弹簧的生根位置，也可以设置在平台以下，弹簧生根于平台梁[3]。

两种方案的应力分析结果如下：

2.1 支架形式

(1)立式“π型弯”：第一个弯头处设置恒力弹簧吊架，“π型弯”穿下层平台处设置弹簧架，根据“π型弯”的大小，CAESARⅡ软件会输出选定的弹簧架形式。“π型弯”后竖向穿平台处设置弹簧架和导向架。

(2)水平“π型弯”：第一个弯头处设置恒力弹簧吊架，“π型弯”对角弯头后设置弹簧架，根据“π型弯”的大小，CAESARⅡ软件会输出选定的弹簧架形式。“π型弯”后竖向穿平台处设置弹簧架和导向架。

2.2 恒力弹簧架的安装

冷氢管线上的弹簧支吊架及导向架通常生根在反应器构架平台上。第一个弹簧架为恒力弹簧支吊架，此处位移较大，可以采用两种安装形式：一种为平台下吊架，恒力弹簧架选用PA型或PE型(根据生根梁的型式确定)，生根在平台梁处，位于平台下部，该型式可以有效减少平台占有率，便于操作和检修，但此类支架的设置需要在配管过程中考虑弹簧架的空间，平台以下管线应预留足够的安装空间。另一类为平台上吊架，恒力弹簧架选用PD型，该型式需在平台上部做“门型”支架，以便于弹簧架生根，此类支架的设置对平台以下的管道布置没有要求，但会占据一部分操作平台，当反应器构架平台较宽敞时可采用该型式。本文建议采用第一种型式，既美观又可节省平台上部空间。

2.3 受力

两种计算结果受力见表1(选取有代表性的点进行比较)。

由应力分析结果(表2)可以看出，以上两种配管形式管线受力及位移均可以满足设备管口受力要求，配管过程中需根据反应器平台的布置确定支架的安装位置，并根据反应器的管口高度确定急冷氢口的初始位移。

表1 各点受力(最大值)

2.4 位移

表2 各点位移(最大值)

3 总结

(1)急冷氢线上需增加变材质法兰，靠近反应器侧选用不锈钢管线，远离反应器侧选用碳钢管线，法兰距离反应器急冷氢管口的管线长度≮3 m。

(2)建议将急冷氢线上调节阀组布置在地面上，Y型阀(或闸阀)及法兰靠近调节阀组安装，便于操作和检修。

(3)为了便于设置支架及统筹全部急冷氢管线的布置，建议采用立式“π型弯”的配管型式。

另外，若多台反应器串联，反应器之间混氢油管线上的急冷氢线应在满足PID要求的前提下布置在最低点，以减少混氢点的位移，该类急冷氢线可以不设置“π型弯”。