浅析渣油加氢装置加氢反应器的配管设计

李莉（中石化洛阳工程有限公司 配管室，河南 洛阳 471003）

浅析渣油加氢装置加氢反应器的配管设计

李莉（中石化洛阳工程有限公司 配管室，河南 洛阳 471003）

本文结合某200万吨/年渣油加氢装置，对该装置中核心设备之一的加氢反应器，从设备平面布置、管嘴方位的确定、管道设计及构架的设置进行了论述。

加氢反应器；管道设计；反应构架

渣油加氢反应器在高温（最高操作温度440℃），高压（最高操作压力19.53MPa）及有腐蚀介质（H2和H2S）的条件下运行，其配管设计对整个装置的正常运行有着至关重要的作用。本文结合某渣油加氢装置从平面布置、管嘴方位的确定、管道设计等几方面对其进行简单探讨。

1 反应器平面布置

（1）反应器布置应满足工艺流程的要求。为控制反应系统的温降、压降，将反应器和进料加热炉靠近布置，同时考虑柔性设计的前提下其管道长度应尽量短。

（2）反应器布置应满足安全的要求。反应器与提供反应热量的加热炉可视为一个系统，没有防火间距要求，净距应尽量缩短[2]。为避免加热炉与反应器基础相碰，基础之间距离不应小于4.5米。

（3）反应器布置应满足操作和检修的要求。反应器成排布置在同一构架内。构架下部应考虑卸催化剂的空间，此外反应器靠近检修侧应留有足够的空间以满足装卸催化剂的要求及设备检修等。

2 反应器开口方位的布置

油气入口和人孔在反应器顶部。本装置四台反应器均为底部催化剂卸料，卸料口高度应满足装卸催化剂的要求，其方位应朝向检修侧，以便于人员和车辆进行催化剂装卸。油气出口在底部。反应器热电偶为三点式（或五点式）测温仪，故热电偶嘴子开口方位不可朝向反应器构架的柱子或斜撑，以免影响热电偶的安装和检修。

3 反应器的管道设计

管道内的介质为减压渣油、氢气和硫化氢，其设计温度最高可达445℃，设计压力可达19.53MPa,属于高温、高压、临氢、重油管线。由于管内介质含有氢气，在高温高压情况下管线易产生氢腐蚀，同时由于其管壁较厚，温度较高，故其膨胀量和热应力也较大。

3.1 管道材料选用

考虑渣油加氢装置反应流出物管道的操作条件及介质情况，根据API941的Nelson曲线及H2+H2S腐蚀曲线(Couper)选材原则，该处材质为应为奥氏体不锈钢。但奥氏体不锈钢长期在400-850℃高温下时，会产生晶间腐蚀倾向。其机理是：在腐蚀介质的作用下，铬镍奥氏体不锈钢在400-850℃的温度范围内再次受热时，碳和铬会以碳化物的形式沿晶界析出，但铬的扩散速度低于碳的扩散的速度，晶体内部的铬来不及扩散至晶界，因而靠近晶界处会造成一贫铬区，使其抗腐蚀能力下降，防止铬镍奥氏体不锈钢晶间腐蚀的办法有两个：一是降低钢材中的碳含量，以减少碳化物的析出；二是添加能形成稳定碳化物的元素，如钛或铌，以防止碳化铬的析出。故管道材料一般使用含有稳定化元素的不锈钢，如TP321和TP347。本装置该部分管道选用的是TP321材质。

3.2 管道的设计

3.2.1 主工艺管道的设计

第一反应器出口至第二反应器入口的管线。其设计参数如下：

设计温度：414℃

设计压力：19.11MPa

管道材质：ASTM A312 TP321

管道公称直径：DN400

管道壁厚：46.02mm

方案一，如图1所示。可以看出，该方案布置简单，弯头较少，虽在经济上节省了投资，但经应力计算分析，入口法兰处弯矩过大（71067N.m）。经调整，方案二，如图2所示，在进入第二反应器之前增加一个90度弯头，在X方向上增加一段管道，相应的低点处弹簧向X方向移动，法兰处弯矩为（21125N.m），弯矩有了明显改善。前者是后者的3倍多，显然方案二更安全合理。

同样的管道长度，仅增加了一个弯头，就大大缓解了设备管嘴及法兰的受力情况，管道也更加合理安全。可见，高温厚壁管道的柔性设计，不仅仅要从增加管道长度的角度考虑，合理的布置方案更是应该思考的方向。

图1

图2

3.2.2 消防蒸汽管道的设计

渣油属低凝点重油，一旦泄露便会起火。为防止法兰连接处泄漏起火，法兰处均应设置带孔的消防环管，小孔朝向法兰连接面。发生泄露时开启蒸汽，使泄露的油气由于缺氧而减小火势，从而减少损失。消防蒸汽环管应分别设置切断阀，并集中布置，挂牌明确标识，切断阀组与消防环管至少应有15m的安全距离。

消防蒸汽管道在不使用时为常温，且其口径较小，由于其末端的消防蒸汽环管固定在法兰面处，在消防蒸汽环管附近的管道应有足够的柔性来吸收反应器及主工艺管道的热胀量，防止对消防管道造成破坏，影响正常使用。

4 反应器构架及平台的设置

该装置有4台反应器，其外径均为￠6080mm，布置在构架内。反应器操作温度高，

在设置顶部构架平台和平台与设备间隙的时候应充分考虑到其热膨胀。反应器构架从检修和操作安全性考虑，宜设成双跑斜梯。同时，在构架中间检修侧设置直梯，以供紧急情况下逃生使用。

顶平台的开洞大小根据反应器顶部人孔的大小来确定。该反应器人孔连接法兰外缘直径为￠1650mm，且此法兰密封面压力比较高，紧固件相当大，螺栓的预紧安装需采用液压拉伸器，平台高度应满足拉伸器的操作空间。同时应计算反应器受热向上的膨胀量，确保膨胀后的球形封头与顶平台开洞的边缘梁有一定的空隙。构架顶平台的设计需考虑承受催化剂和料斗的重量。同时还要设置反应器头盖承重区,并明显标示。

5 结语

本文对渣油加氢装置反应器平面布置、管嘴方位的确定、管道设计及构架设置等分别进行了分析论述。反应器及其管道长期处于高温、高压、临氢的环境中，故其配管设计的合理与否对其乃至整个装置的操作，检修，及安全生产运行有着十分重要的意义。

[1]朱华兴张立新炼油技术与工程，加氢专辑2006～2010，中国石化出版社，108～109.

[2]张德姜李庆汉王金富.石油化工装置工艺装置布置设计规范，2011，15～16.