王京紅 龐偉
(中石化洛陽工程有限公司)
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加氫裂化裝置高壓纏繞管式換熱器管道設(shè)計探討
王京紅*龐偉
(中石化洛陽工程有限公司)
結(jié)合某加氫裂化裝置高壓纏繞管式換熱器的管道設(shè)計,從設(shè)備平面布置、管道布置、管道材料和管道應(yīng)力等方面進(jìn)行了系統(tǒng)論述,并對纏繞管式換熱器提出了一種新的換熱介質(zhì)流向方案。從管道長度、管道二次應(yīng)力、設(shè)備管口受力以及設(shè)備法蘭泄漏幾個方面,將新的換熱介質(zhì)流向方案與傳統(tǒng)的換熱介質(zhì)流向方案進(jìn)行了對比,新方案對于減少管道投資有不錯的效果。
纏繞管式換熱器管道設(shè)計加氫裂化換熱介質(zhì)流向法蘭
纏繞管式換熱器廣泛應(yīng)用于化工裝置,近年來也開始陸續(xù)應(yīng)用于煉油裝置。目前在加氫精制、加氫裂化裝置上,高壓換熱器應(yīng)用得比較多的是螺紋鎖緊環(huán)換熱器。纏繞管式換熱器與螺紋鎖緊環(huán)換熱器相比,兩者結(jié)構(gòu)差異較大,前者具有以下幾個優(yōu)點。
(1)節(jié)省材料。高效單旋式換熱器傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊,單臺高效單旋式換熱器即可達(dá)到多臺普通列管式換熱器的換熱要求。
(2)降低能耗。高壓換熱器采用高效單旋式換熱器后,隨換熱器效率的提高,原料氣反應(yīng)前加熱爐的負(fù)荷相應(yīng)下降,燃料消耗明顯降低,經(jīng)濟效益和社會效益顯著[1]。
(3)節(jié)省投資。高效單旋式換熱器作為高效緊湊型換熱設(shè)備,與常規(guī)換熱器相比,在相同條件下可減少設(shè)備數(shù)量、減少占地面積,在節(jié)省設(shè)備投資的同時也可減少管線投資。占地面積優(yōu)勢對于裝置的改擴建起著重要作用;對于新建裝置,在當(dāng)前土地資源緊缺的情況下也起著巨大的作用。
高壓換熱器在加氫裝置上屬于核心設(shè)備。不論換熱器采用何種形式,與其相連的管線設(shè)計得合理與否,都將直接影響加氫裝置能否安全穩(wěn)定運行。高壓換熱器管道是加氫裂化裝置中極具代表性的重要管系。其主要特征為:操作溫度高,操作壓力高,管道直徑較大,管壁較厚,多數(shù)情況為采用合金鋼或者不銹鋼制作。
雖然高壓換熱器的工藝流程相對較簡單,但配管的設(shè)計還是有難度的。主要的難點在于管道的熱膨脹會對高壓換熱器產(chǎn)生較大的作用力。其原因有以下幾方面:(1)介質(zhì)操作溫度高,可達(dá)400℃以上,因而管道膨脹量大。(2)介質(zhì)操作壓力高,可達(dá)18 MPa以上,因而管道壁較厚 (Sch140以上),管道自身柔性較差。(3)高壓換熱器之間空間比較狹小,調(diào)整管道走向沒有很大的余地,通常需要通過增加管線長度的方法來吸收熱膨脹。
傳統(tǒng)的螺紋鎖緊環(huán)換熱器與高壓管道通常采用對焊形式連接,但纏繞管式換熱器與之不同。纏繞管換熱器由于無法通過抽出管束或者退殼等方法對管束及殼體內(nèi)部進(jìn)行檢修,高壓管道與換熱器間須采用法蘭形式連接,以便在需要時能通過法蘭口對其內(nèi)部元件及管束進(jìn)行檢修維護。由于高壓管道自身剛度較大,與反應(yīng)器管道布置相似,連接高壓纏繞管換熱器管殼程的每段管線上均需要設(shè)置可拆卸短節(jié)。在對管系進(jìn)行應(yīng)力分析時,一般通過合理的管道布置使管系得到自然補償,并在合適的位置設(shè)置彈簧支吊架以解決管道對高壓換熱器作用力過大的問題。因為采用法蘭連接會增加管系泄漏點,所以對法蘭泄漏的校核也是該管系應(yīng)力分析的重要任務(wù)之一。此外該部分管線由于氫氣、硫化氫和銨鹽等物質(zhì)的存在,設(shè)備及管道的腐蝕情況非常復(fù)雜。
加氫裂化裝置高壓換熱器部分工藝流程相對簡單,一般為反應(yīng)器進(jìn)料、氫氣、汽提塔底液等冷物料與反應(yīng)餾出物、熱高分氣等熱物料通過熱量交換實現(xiàn)熱量的合理有效利用。通常,被加熱的流體宜下進(jìn)上出,被冷卻的流體宜上進(jìn)下出。這個原則主要是從流體密度改變來考慮的。熱流在流動傳熱過程中,流體密度會沿流動方向即溫度下降方向越來越大,從而會形成阻滯區(qū),阻礙流體流動。當(dāng)熱物流進(jìn)入換熱器的方向為上進(jìn)下出時,重力下降作用有助于消除阻滯區(qū)的影響;相反,熱物流下進(jìn)上出時會增加阻滯區(qū)的影響。在同種介質(zhì)內(nèi)部宜避免由于溫差 (密度差)引起的空間逆向?qū)α?。介質(zhì)的溫差越大,流體的自然對流越強,形成的滯留帶的影響就越明顯。因此介質(zhì)進(jìn)出口位置一般宜按熱流體上進(jìn)下出、冷流體下進(jìn)上出的原則來設(shè)計,以減小滯留帶的影響,提高傳熱效率[2]。
在進(jìn)行加氫裂化裝置平面布置時,首先要結(jié)合已有的地形情況,在滿足工藝流程的前提下,按物流順序進(jìn)行設(shè)備布置。通常情況下,裝置的平面布置決定了管道走向,但反過來,一些有特殊工藝要求的管道有時也制約著平面布置,所以在滿足工藝要求的情況下合理布置相關(guān)設(shè)備就顯得尤為重要。
根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》規(guī)定:加氫裂化、加氫精制裝置等的反應(yīng)加熱爐與反應(yīng)器,因其加熱爐的轉(zhuǎn)油線生產(chǎn)要求溫降和壓降應(yīng)盡量小,且該管道材質(zhì)是不銹鋼或合金鋼,價格昂貴,所以反應(yīng)加熱爐與反應(yīng)器的防火間距不限。反應(yīng)器一般位于反應(yīng)產(chǎn)物換熱器和反應(yīng)加熱爐之間,反應(yīng)產(chǎn)物換熱器一般緊靠反應(yīng)器布置,所以反應(yīng)產(chǎn)物換熱器與反應(yīng)加熱爐之間防火間距也不限[3]。由于纏繞管換熱器本體支撐形式采用支座式,需安裝在構(gòu)架上,所以按照工藝流程順序布置反應(yīng)器、高壓換熱器以及熱高壓分離器,高壓換熱器和熱高壓分離器就布置在同一構(gòu)架內(nèi)。在滿足操作維修要求以及管系應(yīng)力分析的前提下,反應(yīng)器和高壓換熱器布置得越緊湊越好,這樣可縮短不銹鋼管道長度,減小壓降,減少介質(zhì)在管道內(nèi)結(jié)焦的可能性,為長周期安全生產(chǎn)創(chuàng)造條件,同時還可節(jié)約工程投資。某廠210萬t/a加氫裂化裝置反應(yīng)部分的平面布置見圖1。
對于纏繞管式換熱器來說,通常換熱器本體長度較長。設(shè)計換熱器管殼程流體進(jìn)出方向時,若按常規(guī)設(shè)計,不論冷物料走管程還是殼程,宜下進(jìn)上出,而熱物料宜上進(jìn)下出。冷、熱物料從一臺換熱器流出后,經(jīng)過一段管道再進(jìn)入下一臺換熱器。兩臺換熱器之間的連接管道布置,就豎直管道部分而言,需要增加一段對應(yīng)整個換熱器長度的管道。對于高壓換熱器管道來說,其管徑大,管壁厚度大,管道的成本較高。為了節(jié)省管道投資,在某廠210 萬t/a加氫裂化裝置的設(shè)計過程中,經(jīng)與工藝、設(shè)備等專業(yè)部門聯(lián)合評審,確定該裝置的幾臺高壓纏繞管換熱器采用熱流體下進(jìn)上出、冷流體上進(jìn)下出的進(jìn)料方式,使串聯(lián)的高壓纏繞管換熱器之間的連接管道縮短,即熱流體從前一臺換熱器底部流出后,直接進(jìn)入下一臺換熱器底部 (下文簡稱 “底出底進(jìn)”)。該方案與傳統(tǒng)的方案 (下文簡稱 “底出頂進(jìn)”)相比,減少了管線長度,但該方案在一定程度上會造成流體空間對流,降低換熱效率。經(jīng)過工藝專業(yè)部門與換熱器供應(yīng)商核算,確定選取換熱物料溫差相對較小的換熱器作為試驗對象進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果表明,調(diào)整前、后兩方案換熱器成本及換熱效率均變化較小,故新方案可行。換熱器管殼程進(jìn)料方向調(diào)整前后管道布置如圖2、圖3所示。圖2中左邊管線管號P-10603,長度32 m;右邊管線管號P-10602,長度29.5 m。圖3中左邊管線管號P-10603,長度18 m;右邊管線管號P-10602,長度13.5 m??梢钥闯?,試驗方案 “底出底進(jìn)”在管線長度方面比傳統(tǒng)方案 “底出頂進(jìn)”有大幅的減少。纏繞管式換熱器本體長度越長,兩種方案的管線長度相差就越大。
進(jìn)行高壓換熱器管道設(shè)計時,要求高壓換熱器設(shè)備的管嘴其受力滿足允許的受力條件,管道的熱應(yīng)力不超過管道的許用應(yīng)力,同時管道布置應(yīng)盡可能短,盡量少拐彎。在管道設(shè)計時,還要充分考慮管道自身的較大熱位移,避免操作時管道和框架梁及斜撐相碰。高壓換熱器管殼程進(jìn)出口管道均應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的管道應(yīng)力計算。垂直管道較長時,應(yīng)考慮在立管處設(shè)置導(dǎo)向支架。為方便高壓換熱器進(jìn)出口管道的安裝及檢修,管殼程進(jìn)出口法蘭彎頭處應(yīng)設(shè)置一對高壓拆卸法蘭。
高壓纏繞管換熱器進(jìn)出口法蘭和可拆卸短管法蘭處均應(yīng)設(shè)置消防蒸汽環(huán)管,消防蒸汽環(huán)管固定于法蘭處。每個消防蒸汽環(huán)均應(yīng)設(shè)置一個切斷閥。切斷閥應(yīng)集中布置在明顯、安全和開啟方便的地方,通常布置在距消防環(huán)管半徑7.5 m之外的地面處。
圖1 某廠加氫裂化裝置反應(yīng)部分的平面布置
圖2 底出頂進(jìn)方案管道布置
圖3 底出底進(jìn)方案管道布置
4.1腐蝕類型
加氫裂化原料一般主要成分為大分子烴類,同時含有Cl、N、S等雜質(zhì),這些雜質(zhì)在反應(yīng)過程中會形成具有腐蝕性的介質(zhì)環(huán)境。高壓換熱器管道的突出特點是操作壓力高,操作溫度跨度范圍較寬(95~420℃)。在高溫范圍 (240℃以上),管道可能存在高溫氫+硫化氫腐蝕以及高溫硫腐蝕;在低溫范圍,管道可能存在濕硫化氫腐蝕以及銨鹽腐蝕等。同時,管系還可能處于氫氣、硫化氫、環(huán)烷酸(根據(jù)介質(zhì)情況)及連多硫酸等多重介質(zhì)存在的苛刻工況。因此選材正確和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠是保證裝置長周期運行的關(guān)鍵因素。
高壓換熱器管道主要存在以下幾種腐蝕類型:
(1)氫腐蝕;(2)高溫氫+硫化氫腐蝕;(3)高溫硫腐蝕;(4)NH4Cl及NH4HS腐蝕;(5)濕H2S腐蝕;(6)連多硫酸腐蝕。
4.2材料選用
合理的選材是保證裝置長周期、安全平穩(wěn)運行的前提條件。管道材料的選用應(yīng)根據(jù)介質(zhì)條件、腐蝕環(huán)境等綜合情況來確定。
(1)對于操作溫度等于或高于200℃,介質(zhì)中含有氫氣的工況,在選用碳鋼或合金鋼管道材料時,可依據(jù)Nelson曲線選擇合適的抗氫鋼材。一般情況下,200℃以下可以選用碳鋼。
(2)用于高溫H2+H2S環(huán)境中的管道,首先根據(jù) Nelson曲線進(jìn)行預(yù)選材,然后根據(jù) Couper-Gorman曲線估算預(yù)選材質(zhì)的腐蝕速率,所選材質(zhì)的腐蝕速率不宜超過0.25 mm/a。反應(yīng)部分的高溫氫氣管道、高溫混氫進(jìn)料管道以及反應(yīng)餾出物管道等常選用TP321或TP347不銹鋼。
(3)反應(yīng)部分高溫原料油管道存在高溫硫腐蝕。高溫硫腐蝕是一種均勻腐蝕,可先按McConomy曲線核算年腐蝕速率,然后以可以接受的腐蝕速率來確定所要使用的材料。
(4)對于銨鹽腐蝕,國內(nèi)通常采用碳鋼加大腐蝕余量的方法來解決銨鹽腐蝕問題。換熱器到高壓空冷之間的管道可選用6 mm腐蝕余量。
(5)在濕H2S氣相條件下,一般可選用碳鋼作為主管材,并應(yīng)滿足抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)要求。在濕H2S液相或氣液混相條件下,應(yīng)根據(jù)H2S含量及液相酸堿度等選擇適宜的材料。
(6)在連多硫酸應(yīng)力腐蝕環(huán)境下,可能產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂,故奧氏體不銹鋼應(yīng)選用超低碳或穩(wěn)定化型不銹鋼[4]。
綜合考慮以上各種腐蝕因素,對反應(yīng)器到熱高壓分離器之間的高壓換熱器管道可選擇TP347或 TP321材料,具體選用哪種材料還需通過壁厚計算并結(jié)合鋼材的具體性能來確定,以實現(xiàn)選材的安全經(jīng)濟合理。熱高分氣通過換熱后溫度可降至200℃以下,用于此物料的換熱器管道宜選用碳鋼A106。
4.3壁厚計算
管號為P-10603的管道其介質(zhì)自高壓換熱器(E102)管程出口流至高壓換熱器(E103)殼程入口。該管道工藝參數(shù)如下:公稱直徑DN450、設(shè)計溫度337℃、設(shè)計壓力17.17 MPa,工藝介質(zhì)為氫氣、油氣和硫化氫。根據(jù)上述選材原則,腐蝕余量按1.6 mm考慮,材料厚度偏差按±12.5%考慮。根據(jù)SH/T 3059—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)直管計算壁厚小于管子外徑Do的1/6時,可按式(1)計算得出TP321 和 TP347材料的計算壁厚分別為 35.65 mm和28.36 mm。從計算結(jié)果可知,在管道布置完全一致的前提下,選用TP347得出的計算壁厚比TP321減少20.45%。選用TP347時壁厚較小,管道柔性相對較好,有利于管道布置。由式 (2)可以計算出選用TP347時名義厚度為35 mm,根據(jù)ASME B36.10按照標(biāo)準(zhǔn)壁厚選取Sch140的壁厚即可。
式中t——直管的計算壁厚,mm;
p——設(shè)計壓力,MPa;
Do——鋼管外徑,mm;
[σ]t——設(shè)計溫度下管子材料許用應(yīng)力,MPa;
φ——焊縫系數(shù),無縫鋼管取1;
W——焊縫接頭強度降低系數(shù);
Y——溫度對計算直管壁厚公式的修正系數(shù);
T——名義厚度,mm;
C1——材料厚度負(fù)偏差,mm;
C2——腐蝕、沖蝕裕量,mm;
C3——機械加工深度,mm;
C4——厚度圓整值,mm。
對管道進(jìn)行應(yīng)力分析的目的是保證管道在設(shè)計條件下具有足夠的柔性,防止管道由于熱脹冷縮、端點附加位移、管道支撐設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蛟斐上铝袉栴}:(1)管道應(yīng)力過大引起金屬疲勞;(2)管道連接處或法蘭產(chǎn)生泄漏;(3)管道推力或力矩過大,使與其相連接的設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形,影響設(shè)備正常運行。
5.1方案比較
為了方便比較兩方案,選取圖2、圖3中左邊管線作為分析對象。該管線管號為P-10603,圖中與其相連的兩臺換熱器位號分別為E-103(左)和E-102(右),E-102管程出口定義為點10,E-103殼程入口定義為點80,管道材質(zhì)為A312 TP347不銹鋼,公稱直徑DN450,計算壁厚28.36 mm,設(shè)計溫度337℃,設(shè)計壓力17.17 MPa,工藝介質(zhì)為油氣、氫氣和硫化氫。通過采用應(yīng)力分析專業(yè)軟件CAESARⅡ?qū)υ摴芫€進(jìn)行應(yīng)力分析。
5.1.1管道應(yīng)力
通過應(yīng)力分析可看出,兩種方案中各節(jié)點二次應(yīng)力值相差不大,二次應(yīng)力與許用應(yīng)力之比均介于0.25~0.31之間。各節(jié)點中出現(xiàn)的最大二次應(yīng)力值與管道許用應(yīng)力具體數(shù)值如表1所示。與傳統(tǒng) “底出頂進(jìn)”方案的31%相比,試驗方案 (“底出底進(jìn)”)各節(jié)點處二次應(yīng)力最大值與許用應(yīng)力值的百分比為29%,兩種方案在二次應(yīng)力方面差別不大。
表1 兩種方案的二次應(yīng)力比較
5.1.2設(shè)備管嘴的受力比較
兩種方案中設(shè)備管嘴受力如表2所示,試驗方案與傳統(tǒng)方案相比,管嘴在x方向受力明顯增大,y和z方向的力矩也明顯增大。這是由于豎直管段的減少,兩臺換熱器間管線在x方向的熱脹無法通過豎直管段進(jìn)行較好的補償。
5.1.3法蘭泄漏校核
管道的法蘭連接處均須進(jìn)行密封面受力校核。作用于法蘭的力和力矩應(yīng)同時滿足下列要求:
表2 兩種方案中管道對設(shè)備管嘴的作用力
式中pp——管道的設(shè)計壓力,MPa;
pf——法蘭按溫壓曲線對應(yīng)的壓力,MPa;
peq——力矩和力產(chǎn)生的當(dāng)量壓力,MPa;
M——法蘭連接處承受的彎矩,N·mm;
F——法蘭連接處承受的軸向拉力,N;
DG——墊片壓緊力作用中心圓直徑,mm。
管道的設(shè)計壓力pp為17.17 MPa,法蘭的壓力等級為CL2500。根據(jù)溫-壓曲線查得,在設(shè)計溫度337℃下,法蘭最高使用壓力為28.21 MPa,兩種方案下對設(shè)備管口法蘭進(jìn)行泄漏校核,計算結(jié)果列于表3。當(dāng)量壓力peq與管道壓力pp之和小于 pf,法蘭不會泄漏。
通過分析結(jié)果可以看出,兩種方案在二次應(yīng)力上差異不大,但從設(shè)備管嘴受力上來看,試驗方案比傳統(tǒng)方案管嘴在x方向受力以及y、z方向力矩都有明顯增大,但兩方案經(jīng)計算設(shè)備法蘭處均不會出現(xiàn)泄漏。
5.2管道支吊架
高壓管道和不銹鋼管道應(yīng)盡量采用管卡式管托和管道吊架,盡量避免或減少使用焊接型的管托和管道吊架。由于連接高壓換熱器的管道溫度高、位移大,為保證支架不脫空,需在合適的位置設(shè)置彈簧支吊架。在選用彈簧支吊架時,盡量選用彈簧吊架,吊架吊桿的長度不宜過短,須保證熱態(tài)工況下吊桿的偏移角度不超過4°。
表3 兩種方案下設(shè)備管嘴法蘭的泄漏校核
本文針對加氫裂化裝置核心設(shè)備高壓纏繞管式換熱器的管道設(shè)計,從設(shè)備平面布置、管道布置、管道材料選用和管道應(yīng)力計算等方面進(jìn)行了系統(tǒng)論述,并對纏繞管換熱器管道布置提出了一種新的換熱介質(zhì)流向試驗方案。從管道二次應(yīng)力、設(shè)備管口受力以及設(shè)備法蘭泄漏幾個方面,將新的換熱介質(zhì)流向方案與傳統(tǒng)的換熱介質(zhì)流向方案做了比較。
加氫裂化裝置高壓換熱器管道選材時,需綜合考慮管系操作溫度高,操作壓力高,處于氫氣、油氣、硫化氫等多種介質(zhì)共存的復(fù)雜環(huán)境等特點,管線材料可能出現(xiàn)氫腐蝕、硫化氫腐蝕、銨鹽腐蝕等問題。經(jīng)過對管道可能存在的腐蝕情況進(jìn)行分析比較,用于高溫、高壓的臨氫管道宜選用穩(wěn)定化型的奧氏體不銹鋼。此外,經(jīng)過分析計算,同等設(shè)計條件下選用TP347作為管道主材,計算壁厚可比選用TP321減少20%左右,可大大減少熱態(tài)工況下管道對設(shè)備管嘴的作用力,降低法蘭泄漏風(fēng)險,保障裝置長周期安全穩(wěn)定運行。
在本項目實例中,試驗方案與傳統(tǒng)方案相比,二次應(yīng)力方面兩者沒有明顯差異。雖然在設(shè)備受力方面不如傳統(tǒng)方案,但對于高壓設(shè)備來說,試驗方案中管嘴受力也在較為合理范圍內(nèi),增大的受力不會導(dǎo)致設(shè)備制造成本上升,試驗方案可有效減少不銹鋼高壓管道的長度,降低了壓降,節(jié)省了投資,具有實際應(yīng)用意義。高壓纏繞管換熱器本體長度越長,相比螺紋鎖緊環(huán)換熱器優(yōu)勢越明顯,這就意味著若使用傳統(tǒng)進(jìn)料方案會大幅增加管道長度。兩種方案各有優(yōu)缺點,傳統(tǒng)方案在管系受力尤其是設(shè)備管嘴受力上具有優(yōu)勢。但需要特別注意的是,實際應(yīng)用試驗方案前,需根據(jù)實際情況先進(jìn)行分析計算,在設(shè)備受力允許的情況下,選用試驗方案,這對于減少管道投資有不錯的效果。
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Discussion on the Design of High Pressure Wound-tube Heat Exchanger Pipe of Hydrocracking Unit
Wang JinghongPan Wei
According to the design of the high pressure wound-tube heat exchanger pipe of one hydrocracking unit,the systematic discussion is carried out in respect of several aspects including equipment layout,piping layout, pipe materials and pipe stress.Meanwhile,a new flow direction of the heat-transfer medium for the wound-tube heat exchanger is presented.Compared with the tranditional flow direction from the following aspects including pipeline length,secondary stress,equipment force and flange leakage,the scheme with the new flow direction has lower investment on pipelines.
Wound-tube heat exchanger;Piping design;Hydrocracking;Heat-transfer medium;Flow direction;Flange
TQ 055.8DOI:10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.003
2016-04-18)
*王京紅,女,1968年生,高級工程師。洛陽市,471003。