柴油加氢装置高压换热器管线的设计分析

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510000)

随着国家对节能减排和环境保护的严格要求，炼油行业对油品质量的要求越来越高，在这个过程中，关乎柴油产品质量的柴油加氢装置显得尤为重要。柴油加氢一般采用固定床催化工艺，原料油和氢气在催化剂的作用下进行反应，用于脱除油品中硫、氮、氧杂原子及金属杂质，同时，一部分不饱和烃得到加氢饱和，从而改进油品的质量，生产出安定性和燃烧性较好的产品[1]。

在柴油加氢装置中，管道设计温度最高可达435℃，设计压力可达9.5MPa，管道位移量和热应力非常大，许多管道又是临氢管道，对管线易产生氢腐蚀，这些苛刻的条件增加了管道选材和管道布置的难度。

柴油加氢装置反应部分的主要管道有：反应器进出口管道、高压换热器进出口管道、加热炉进出口管道、高压空冷器进出口管道等。其中高压换热器管线作为反应换热的重要部分，其设计习惯和方法不同于常规换热器，本文结合某炼油厂的柴油加氢装置，就高换管线的设计要点及要注意的问题作简要探讨分析。

1 高压换热器的平面布置

冷换设备布置时，首先要满足GB50160-2008和SH3011-2011对防火间距的要求，其次冷换设备宜采用按流程顺序布置、有关设备相邻布置或同类设备集中布置的原则[2]。此装置共有五台高压换热器，紧凑布置在反应构架西侧，方便反应器和高压换热器间反应流出物管线的布置。

五台高压换热器均布置在地面上，按管箱端支座基础中心线对齐，为了节省占地面积，结合工艺流程要求，将其中两台重叠布置，由于换热器之间的净距要求不宜小于0.8 m，此处结合配管方案和阀门操作要求，各换热器间距适当加大，具体布置见图1。另外为了检修时利于抽出管束，冷换设备管箱端应留检修空地，空地大小为沿设备轴线方向从管箱端算起管束长加1.5 m。

在布置时，有轨道的高压换热器应注意轨道长度，留足壳体抽出空间，同时防止与其它结构柱子相碰。

图1 高压换热器的平面布置图

2 管道布置

高压换热器的管道布置应符合SH3012-2011 《石油化工管道布置设计通则》的要求，在满足工艺流程的条件下，布置应统筹规划，做到安全可靠、经济合理、整齐美观，满足施工、操作、维修等方面的要求[2-4]。管道布置宜做到“步步高”或“步步低”，减少“气袋”或“液袋”，否则，应根据操作、检修要求设置放空或放净。管道布置应使管道系统具有必要的柔性，在应力允许范围内，力求管道最短，弯头最少，尽量减少管道压降，同时节省投资。

高压换热器管线设计时应注意冷热物流的流向，为使换热经济合理，采用逆流传热，在管道布置中应使加热介质(冷流)自下而上流动，被冷却介质(热流)自上而下流动。为方便检修，换热器进出口管道及阀门均应与设备头盖法兰保持一定距离，并以方便拆卸螺栓为原则，一般静距300 mm为宜。管程进出口管道布置应考虑管箱检修方便，管道不应布置在管箱上方妨碍检修,且宜加一对法兰以便拆卸，不拆卸部分管道应设永久性支架[2]。

高压换热器基础高度的设计应以保证设备下部嘴子接出管的管底距地坪或平台净空不小于250 mm为原则，当管底有放净阀时，放净阀至地坪或平台至少应有200 mm净空。管道上各种仪表(如压力计、温度计、孔板等)的安装应选择合理的位置，使测量具有代表性，且应设在主要操作通道及易于观测和检修的位置。高压换热器地面宜加围堰，围堰内地面应以3‰～5‰的坡度坡向地漏，靠管箱端宜设排水沟，围堰应比围堰内地面高150 mm[2]。

3 管道补偿及应力分析

由于连接高压换热器的管道温度都比较高，配管形状应该有足够自行补偿能力，不应使换热器管嘴承受过大的力和力矩。此类管道均需要进行应力分析，以确定管道走向是否合理。

管道应力分为一次和二次应力[5]。一次应力是由于压力、重力和其它外力载荷的作用所产生的应力。一次应力是非自限性的，应力随着载荷的增加而增加，在管系的应力分析中，首先应使一次应力满足许用应力值。二次应力是由管道热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用引起。二次应力具有自限性，引起的主要是疲劳破坏。对于二次应力，不超过热胀许用应力范围，管道则认为是可靠的。

下面选取高压换热器管线其中的一条，利用CAESARII软件对两种不同配管方案的一次、二次应力进行分析。

图2 管线走向“Z”形布置(方案一)

图3 管线走向增加Π形布置(方案二)

方案一(见图2)管线走向按“Z”形布置，在换热器管嘴附近设置支架，用以支撑管道重量，减少管道热胀时附加在管嘴上的力和力矩。由于高压换热器运行时热胀，管道随设备嘴子在垂直方向上会有位移变化，为了防止支承点处的位移变化引起荷载转移，导致嘴子受力过大，支架的形式选为弹簧。方案二(见图3)为了增加管道柔性，管道走向增加了Π形，以利用管道自身补偿吸收其热胀和端点位移，减少嘴子处受力和力矩。新增的Π形处设置四个弹簧支架用于支撑管道，防止管线脱空，避免与管线连接的上部管嘴受力过大。

表1 方案一应力分析结果

表2 方案二应力分析结果

从应力结果(表1、2)可以看出，方案一和方案二的一次应力最大值均在弹簧支架处，其值非常接近。而比较二次应力最大值的结果，方案二明显小于方案一，这说明方案二中管线增加了Π形后，管线柔性更好，依靠自身补偿吸收了部分热胀和端点位移，受力变得更小。

表3 方案一 Node 10嘴子受力结果

表4 方案二Node 10嘴子受力结果

表5 方案一Node 260嘴子受力结果

表6 方案二Node 260嘴子受力结果

从嘴子受力结果(表3～6)可以看出，对于NODE 10，除了FY外，方案二嘴子受力和力矩值均明显要小于方案一，Z向受力和X向力矩缩小近18倍，FY变大是由于方案二中立管长度稍大于方案一。对于NODE 260，嘴子受力和力矩变化没有NODE 10明显，FZ、MX 、MY变小，FX、FY、MZ略有增加，此点两种方案受力效果差不多。从总体来看，由于Π形弯离NODE 10更近，改善NODE 10的受力更明显一些。

综合一次二次应力和嘴子受力结果，最终选择柔性更好的方案二进行高压换热器管线的设计。

4 结束语

高压换热作为反应流出物和反应进料换热的主要部分，其管线的可靠性关系到装置的正常稳定运行。这就要求我们设计时要综合考虑管道的各项因素，做到既能满足工艺要求，又要保证管道的本质安全。在前人的经验基础上，多思考，多总结，掌握管道设计的规律和要求，努力做到管道设计安全可靠、经济合理、整齐美观，为装置的长周期安全运行提供强有力的保障。