作者簡介：陳夢瑩，（1986-），隸屬于新佑能源配管室，任項目經(jīng)理職位，化工工程師。2008年畢業(yè)于遼寧石油化工大學，一直從事石油化工、煤化工配管設(shè)計與研究工作，思維意識開闊，專業(yè)能力出色，是新佑能源青年一代工程師中的杰出人才。
摘 要：討論了煤焦油加氫裝置反應(yīng)區(qū)管道材料的選擇；反應(yīng)器與加熱爐，串聯(lián)反應(yīng)器之間，反應(yīng)器與高壓換熱器之間配管的設(shè)計，以及此部分管道支架的設(shè)置特點；通過對反應(yīng)器與相關(guān)連設(shè)備特點的分析，闡述了反應(yīng)區(qū)配管設(shè)計的原則及難點。
關(guān)鍵詞：煤焦油加氫裝置；反應(yīng)區(qū)；配管；材料
Discussion ofthe Coal Tar Hydrogenation Reaction Zone Piping System Design
Chen Mengying
Abstract: This article discusses theselection of coal tar hydrogenation reaction zone means piping material; Thereactor and the furnace, disposed in series between the characteristics of thereactor, the design of the piping between the reactor and the high pressureheat exchanger, and this part of the stand pipe; Through the reactor andassociated equipment features analysis, elaborated the principles anddifficulties reaction zone piping design.
Keywords: coal tar hydrogenationunit;reaction zone; pipeline design;material
煤焦油加氫技術(shù)是采用固定床加氫處理技術(shù)將煤焦油所含的金屬雜質(zhì)、S、N、O等雜原子脫除，并將其中的烯烴和芳烴類化合物進行飽和或裂化來生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)良的石腦油餾分和柴油餾分。煤焦油加氫裝置的突出特點是：
（1）高溫：反應(yīng)器操作溫度都在400℃左右；
（2）高壓：反應(yīng)器壓力高達18MPa；
（3）臨氫工況：反應(yīng)過程中需要注入冷氫，氫氣屬甲類可燃易爆氣體；
（4）介質(zhì)腐蝕性強：硫化氫等的存在，對管道材料的選擇非?？量蹋诿航褂图託溲b置中，反應(yīng)區(qū)是加氫部分的核心。
以上特點決定了在煤焦油加氫裝置的配管設(shè)計中，反應(yīng)區(qū)的配管設(shè)計及材料選擇對于裝置的安全性及經(jīng)濟合理性非常重要。本文將舉例對反應(yīng)器材料選擇及管道布置進行討論。
1 材料的選擇
反應(yīng)系統(tǒng)工藝管道一般由于高溫、高壓、氫氣和硫化物共存，環(huán)境十分苛刻，其腐蝕主要是氫腐蝕、高溫硫化氫腐蝕和裝置停工期間的連多硫酸應(yīng)力腐蝕。
（1）高溫高壓條件下擴散侵入鋼中的氫與鋼中不穩(wěn)定的碳化物或固溶碳起化學反應(yīng)生成甲烷，引起鋼材的內(nèi)部脫碳，甲烷聚集在晶界及其附近的空隙、夾雜物等不連續(xù)處，生成甲烷空隙，隨著管道壓力不斷升高，形成微小裂紋和鼓泡，鋼材延性和韌性顯著下降，隨之變成較大的縫隙和裂紋，產(chǎn)生氫腐蝕。管道材料處于氫腐蝕環(huán)境下，一般采用納爾遜（Nelson）曲線進行選材，根據(jù)溫度、壓力及氫分壓選擇合適材料。
（2）高溫硫化氫腐蝕是管道材料在高溫下與含硫介質(zhì)作用，生成輕質(zhì)不穩(wěn)定、容積比大、膜易剝離、熔點和沸點低的硫化物。管道材料處于高溫硫化氫環(huán)境下，含鉻鋼是有效的，一般采用Couper曲線進行選材。
（3）工藝管道在高溫、高壓、缺氧、缺水的干燥條件下運行是不會形成連多硫酸，但當裝置運行期間受到硫的腐蝕、在管道表面生成硫化物，裝置停工期間有氧氣和水進入時，與硫化物反應(yīng)生成連多硫酸（H2SXO6）。為避免奧氏體不銹鋼發(fā)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂，管道材料一般使用含有穩(wěn)定化元素的不銹鋼如TP321和TP347等，并且停工時應(yīng)采用中和沖洗等措施。
2 管道布置
2.1 反應(yīng)器進料加熱爐入口管道
由于反應(yīng)器與加熱爐間管道材料一般為不銹鋼，為節(jié)約高壓管道材料，裝置布置時一般將反應(yīng)器構(gòu)架與加熱爐構(gòu)架靠近布置，反應(yīng)器進料與加熱爐入口管道較短，但此段管線溫度壓力較高，按API560標準，加熱爐管嘴允許受力很小，一般廠家也只能接受API560受力的2倍，因此應(yīng)力分析很難通過。此段管道一般考慮設(shè)置π彎以解決管嘴受力過大問題。
以某廠15萬噸/年煤焦油加氫裝置為例，見圖1。加熱爐入口管道DN150，材質(zhì)TP347；設(shè)計溫度/操作溫度450/360℃，設(shè)計壓力/操作壓力17.43/16.6MPa。圖中設(shè)置π彎并合理設(shè)置支架，加熱爐管嘴受力在API-560受力2倍以下，滿足要求。
2.2 加熱爐出口至反應(yīng)器入口管道
混氫油氣從加熱爐出來，進入加氫反應(yīng)器。加氫反應(yīng)器基礎(chǔ)直接生根在地面上并設(shè)置框架，梯子平臺及附反應(yīng)器管道支架均落在框架上。由于反應(yīng)器溫度較高，反應(yīng)器筒體本身會有比較大的熱膨脹，因此與反應(yīng)器入口相連的管道要充分考慮設(shè)備的膨脹來設(shè)計管道走向及敷設(shè)管道支架。
圖2為加熱爐出口至加氫精制反應(yīng)器入口管道，管道DN150，材質(zhì)TP347；設(shè)計溫度/操作溫度450/380℃，設(shè)計壓力/操作壓力17.12/16.3MPa。若加熱爐出口與反應(yīng)器入口管道直接相接，加熱爐管嘴受力會較大，因此應(yīng)設(shè)置π彎以吸收管系和設(shè)備熱膨脹來降低加熱爐管嘴應(yīng)力。圖中，反應(yīng)器頂部入口管道水平處設(shè)置恒力彈簧支架，垂直段處設(shè)置導向支架，靠近加熱爐出口處設(shè)置可變彈簧支架，其余支撐處設(shè)置普通承重支架。
2.3 反應(yīng)器之間串聯(lián)管道
反應(yīng)器之間管道需考慮反應(yīng)器本體膨脹，一般反應(yīng)器頂部需設(shè)置恒力彈簧支吊架，垂直管道設(shè)置導向支架。如圖3所示。反應(yīng)器之間串聯(lián)管道，管道DN150，材質(zhì)TP347，設(shè)計溫度/操作溫度450/400℃，設(shè)計壓力/操作壓力16.91/16.1MPa。
2.4 急冷氫管道
為了控制反應(yīng)器催化劑床層溫升，每個催化劑床層都要隨時注入急冷氫。由于急冷氫管道本身操作溫度只有40℃，反應(yīng)器溫度在400℃左右，因此當反應(yīng)器熱膨脹時，冷氫管道也會隨之有向上的位移，所以冷氫管道的布置要有一定的柔性，并且與上層平臺梁之間留有足夠的空間，以防止止回閥與平臺梁相撞；急冷氫管道上的止回閥應(yīng)靠近反應(yīng)器安裝；盲板、法蘭要求距離反應(yīng)器至少2米；急冷氫調(diào)節(jié)閥組應(yīng)落地安裝，便于應(yīng)急操作，為防止支架脫空，該管道應(yīng)增加π彎。圖4中冷氫管道DN100，材質(zhì)為A105，設(shè)計溫度/操作溫度100/65℃，設(shè)計壓力/操作壓力18.1/17.1MPa，由于靠近反應(yīng)器處材質(zhì)為TP347，盲板后材質(zhì)降為A105，按圖中管道走向可設(shè)置自然π彎以吸收膨脹量。
2.5 反應(yīng)器出口至高壓換熱器管程入口管道
為節(jié)約高壓管道長度，反應(yīng)器出口與其相關(guān)的換熱器一般靠近布置。反應(yīng)器出口管道一般操作溫度400℃，因此這根管道在布置時需要充分考慮管道的熱膨脹。圖5中，管道DN150，設(shè)計溫度/操作溫度450/420℃，設(shè)計壓力/操作壓力16.7/15.9MPa。圖中反應(yīng)器與高壓換熱器位置的布置，管道走向可形成一個自然的π彎，能有效補償部分管道熱應(yīng)力，以降低反應(yīng)器管嘴及高壓換熱器管嘴受力。
3 管道支架
反應(yīng)器出入口、加熱爐出入口一般選擇彈簧支吊架；其他根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，在適當?shù)奈恢眠x擇導向支架及普通承重支吊架。管內(nèi)介質(zhì)溫度大于400℃的碳鋼管道、不銹鋼管道應(yīng)盡量避免采用焊接性的管托和管吊。如果采用焊接性支架，則管道與支吊架之間的焊縫需要對照材質(zhì)的熱處理要求判斷是否需要熱處理。
4 結(jié) 論
本文針對煤焦油加氫裝置的核心部分反應(yīng)區(qū)的配管設(shè)計，從管道材料的選擇；反應(yīng)器進料加熱爐入口管道、加熱爐出口至反應(yīng)器入口管道、反應(yīng)器之間串聯(lián)管道、急冷氫管道、反應(yīng)器出口至高壓換熱器管程入口管道的布置；管道支架的選用等方面進行了舉例闡述，為以后的同類裝置設(shè)計提供參考。
