加氢装置高压空冷器进出口管道设计探析

(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003)

近年来，由于我国炼制原油中劣质高硫原油的比例不断增加，造成加氢装置原料中的硫和氮含量较高，在加氢反应器中生成大量的H2S、NH3以及少量的氯化物等腐蚀性介质，对下游高压冷却设备和管道造成了严重的腐蚀和破坏[1]。加氢装置中的热高分气空冷器，操作条件苛刻、管道分支多、管道复杂，是整个装置中的关键设备，但处于高压、临氢和H2S工况下，一旦出现泄漏，将会引发火灾甚至爆炸，如2016年境外某加氢装置就是由于高压空冷管道法兰泄漏引发大火。此外，随着装置规模的大型化，热高分空冷器管道的直径和壁厚相应增大，空冷器数量增多，如何通过优化管道布置，在满足工艺要求和空冷管嘴受力要求的前提下节约高压管道，成为管道设计中的难题之一。笔者结合某加氢裂化装置高压空冷器进出口管道的优化布置过程进行了简要分析。

1 装置基本情况

1.1 工艺流程

某加氢裂化装置热高分空冷器部分的工艺流程见图1。反应产物与混氢原料油换热后进入热高压分离器进行油、气分离，热高分气分别与冷低分油、循环氢换热，再经高压空冷器冷却至约46 ℃，进入冷高压分离器进一步进行油、水、气三相分离。根据规定，工艺专业将装置高压空冷器内的工艺介质物性(包括流速、Kp值、Cl-含量等)及下游冷高压分离器酸性水中的硫氢化铵浓度委托给下游专业进行初步选材，空冷管束的选材应考虑合适的流速。其中，碳钢材质介质流速为3.05～6.10 m/s，双相不锈钢材质介质流速范围为3.05～9.1 m/s，镍基合金材质介质流速范围为3.05～15.2 m/s。

由于反应流出物中NH3的存在，此部位容易形成铵盐(主要是NH4HS和NH4Cl)。为防止铵盐结晶析出堵塞换热器和空冷器管束，通常在进入空冷器前设置注水系统[2]。经查阅资料可知，NH4Cl的结晶温度约为176～204 ℃，而NH4HS的结晶温度约为26～65 ℃。本装置中，在热高分气进入高压换热器6之前，管道操作温度已降至约194 ℃，为防止NH4Cl盐结晶析出堵塞高换，在此处设置间断注水系统；介质经过高压空冷换热后操作温度已降至约46 ℃，为防止NH4HS盐结晶析出堵塞空冷器管束，在空冷器前设置连续注水系统。

图1 某加氢裂化装置热高分空冷器部分的工艺流程

1.2 高压空冷器平面布置

空冷器宜布置在装置常年最小频率风向的下风向，且宜按工艺流程设置在管桥或构架顶部[4]。综合考虑流速、Kp值、Cl-含量和硫氢化铵浓度等因素，对高压空冷连续注水点后进口管道和出口管道，专利商分别选用N08825和A312 TP316L材质。为节省贵重管材，宜将高压空冷与相关的热高压分离器、高压换热器及冷高分等设备综合考虑、统一布置，且高压空冷距离高压换热器及冷高分间距离尽量小。此外，还应重点考虑地面上检修空冷器所用吊车回旋的空间及通道，所以宜将空冷布置于靠近道路侧或预留检修场地以便吊装和检修。

1.3 相关设计参数

该装置采用AXENS工艺包，高压空冷数量为16片，其进出口管道部分的编号见图2，相应操作条件与设计条件等工艺参数见表1。由于此处管内介质为气液两相，且铵盐容易在空冷管束中结晶析出堵塞管路，进而使空冷管束中介质流速不一致，因此，专利商要求进出口管道对称布置，以保证各分支管道的流速一致。具体各级管道公称直径及管道壁厚见表2。

图2 高压空冷器进出口管道

表1 工艺参数

表2 进出口管道参数

2 管道设计难点

(1)从上述所列相关设计参数中可以看出，高压空冷进出口管径及壁厚较大，管道分支多，使整个管系由于管道自身的荷载而产生较大的一次应力，对支撑管道的结构梁荷载大，需要根据管道的具体布置形式设置合适的构架来支撑管道，且为增加构架的稳定性，还应使构架高度尽可能低。

(2)空冷进口没有设置阀门调节流量，且介质为气液两相流体，为尽可能减少偏流，使工艺介质均匀地进入每片空冷，入口管道需对称布置[3]。

(3)由于空冷器数量多，整组空冷两端管嘴的间距长达59.5 m，且管道设计温度高，管道热胀产生的二次应力会使管道对空冷器管嘴的作用力和力矩较大。因此，需要合理布置管道走向，依靠管道柔性吸收热胀，减少管嘴的受力和力矩，使其满足API661要求。

(4)根据SH/T 3041—2016 第5.1条要求，进行管道柔性设计时，计算温度的选取应计其正常操作温度，还应计其开车、停车、除焦、再生及蒸汽吹扫等工况的温度。专利商基于全厂大停电且无法预估大停电工况的持续时间，包括热高分气空冷器、循环氢脱硫系统和循环氢压缩机入口管路都按停电工况考虑(见表1)。从表1可知，空冷器进出口管道的操作温度不高，但设计温度均高于300℃，这增加了管道柔性分析的难度，也是设计难点之一。

(5)进出口管道分别采用价格昂贵的镍基合金钢B423 N08825材料和不锈钢A312 GR.TP316L材料，在满足空冷管嘴和冷高分管嘴受力的前提下，如何节省大口径贵重管材是设计过程中重点考虑的因素。

3 空冷器入口管道设计

为保证入口管道内介质不发生偏流，专利商要求入口管道需按图3所示进行布置。

(1)每个分支处的弯头和三通之间的直管段应不小于6倍管道直径，以保证介质在分支前有足够的空间充分混合，从而可以更均匀地分配到两个分支中。

(2)弯头的上游管道所在平面与下游三通所在平面呈90°，使介质沿垂直方向流入分支前的水平直管段形成旋流，从而可以减小由于惯性而产生的偏流。

(3)入口线按照“上不积气，下不积液”的原则，采用“步步低”的方式，即入口总管处于管系最高点，各分支处偏心异径管均采用底平安装，可避免液相介质在管路中堆积。

图3 空冷器进出口管道布置要求

由于高压空冷进出口管道压力等级高、管道刚度大，且设计温度都在300℃以上，管道对空冷管嘴的作用力比中低压空冷器大许多，因此在设计早期将高压空冷管嘴受力和力矩按API661标准规定值的3倍向制造厂提出要求非常重要。管道设计中应首先通过优化管道布置，增加自身柔性吸收热胀，以减小对管嘴的作用力。若管道布置满足管嘴受力要求确实有困难时，也可将应力计算的受力值及时反馈给制造厂，由制造厂考虑对管口进行加强处理，增大管嘴的允许受力范围。

AXENS要求注水接入口与高压空冷器入口主管道分支点间应有不小于10m的直管段，也有其他专利商要求直管段不小于10倍工艺管道公称直径，以保证注水点之后有足够的空间使水与热高分气中的铵盐充分混合。此外，还应注意注水管开口或喷头方向应和工艺物流的流向相同。

3.1 入口管道初步设计方案

按照空冷器管道布置要点和专利商要求，得到的入口管道初步布置方案见图4。

图4 入口管道初步布置方案

该设计方案中，沿着从空冷管嘴至高换的顺序看，首先在空冷器各管嘴入口弯头处设置了可拆卸法兰，使入口管道不会影响空冷的吊装检修；其次为增加靠近管嘴处管道柔性，在各管嘴入口处DN150的管道上设置了YZ面内的“π”形补偿器，并将补偿器处的支架设置为X方向的导向支架，以减小管道对管嘴的作用力。最后将管系顶部的支架设置为X方向的导向支架，以减小注水点后10 m的直管段在X方向的热胀对N1侧管嘴的作用力。

据此进行应力计算得到的结果显示，空冷入口的大多数管嘴出现超标情况，且超标管嘴主要分布于两端管嘴处，其中两端的管嘴超标尤为严重。两端8个管嘴受力和力矩结果见表3。

表3 入口管道初步布置方案的空冷两端管嘴作用力和力矩

注：*表示超标数据。

从表3可以看出，管嘴超标数据均为MZ方向的扭矩，且两端力矩方向相反，说明在热胀的作用下，管道的热胀量由管系最高点处的总管部位向空冷两端逐渐增大，从而导致两端管嘴的受力和力矩最大，过大的扭矩易使法兰密封面失效泄漏，引发事故。此外，计算得到的入口总管的导向支架处(见图4节点1)导向力多达5 t，使得39 m高的空冷器构架根本无法承受，同时也不利于构架的稳定性，因此应对管道做进一步的优化设计。

3.2 入口管道优化方案

分析入口管道初步设计方案可知，两端管嘴MZ方向扭矩过大主要是因为空冷两端跨距大，使得管道在X方向的热胀量过大。而管道沿X方向的热胀可通过增加Z向或Y向的直管段吸收。增加Y向长度则需要抬高整个构架，不利于构架的稳定性，因此优先选择调整Z方向的直管长度，即对图4中a和b段的管道进行优化。

最终选择图5所示布置方案，a和b段增加了一个“π”形补偿器(见图5中A处)，并取消了总管最高点处的导向支架。据此方案得到的所有管嘴受力均在API661规定的允许值3倍之内，其中受力最大的两端8个管嘴受力计算结果见表4。

图5 入口管道优化布置方案

表4 入口管道优化方案所得空冷两端管嘴作用力和力矩

与入口管道初步布置方案相比，优化后得到空冷管嘴在MZ方向的扭矩有了明显减小，整体受力状况得到改善，并且取消总管顶部的导向支架，使得空冷构架的设计可以实施，因此选择该布置形式为最终方案。

4 空冷器出口管道设计

与入口管道可在空冷器本体构架上支撑不同，大部分出口管道需要从管桥上以步步低的形式进入冷高分设备。出口管道既要满足对称布置要求和管道柔性设计，也要避免碰撞仪表、电气槽盒，满足操作平台的通行要求。因此，可调整空间相比入口管道更有限。

综合上述分析，并结合入口管道优化方案，对出口管道进行了下列优化设计(见图6)：①靠近管嘴处的管道上设置“π”形补偿器(见图6中A处)，并将补偿器处的支架设置为X方向的导向支架；②在出口总管两侧的DN600的支管上设置竖直面内的“π”形补偿器(见图6中B处)；③出口总管汇合点与冷高分入口管嘴在X方向距离较远，故在总管上增设一个XZ面内的“π”形补偿器(见图6中C处)。

据此方案进行应力计算，得到的空冷器出口管嘴受力均在允许值范围内，空冷出口两端管嘴受力值见表5。

图6 出口管道优化设计

表5 出口管道优化设计空冷两端管嘴作用力和力矩

5 结语

文中引用的某大型加氢装置已成功开车，从实践的角度也检验了高压空冷器管道设计的合理性。本文介绍了高压空冷器平面布置和管道布置的要求和原则，概述了大型加氢装置高压空冷器进出口管道布置的难点，讨论了如何根据初步应力计算结果分析并解决问题，既达到专利商要求管道对称布置的要求，又满足API661规定的管嘴受力允许值的布置方案。该布置方案在装置大型化高压空冷设计过程中具有一定的代表性，希望为加氢装置类似高压空冷器的管道设计提供参考和借鉴。