任虎彪，景旭亮

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710000；2.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大連化物所西安潔凈能源（化工）研究院，西安 710000）

加氫工藝目前作為原料油深加工的重要手段，它通過高溫高壓環(huán)境下，在氫氣催化劑等條件下改變原料油的化學(xué)組成，起到脫硫脫氮、提高單位原料油的清油收回率、提升油品質(zhì)量的作用。加氫裝置中反應(yīng)加熱爐為催化反應(yīng)提供了主要熱量，該部分管道具有高溫、高壓、介質(zhì)易燃易爆腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此加氫加熱爐部分配管設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到裝置安全、長期、高效、平穩(wěn)地運(yùn)行。

1 加氫裝置加熱爐的布置

本文以西北地區(qū)某煤化工加氫裝置為例，該地區(qū)的氣象條件風(fēng)向玫瑰圖如圖1所示，由圖可知該地區(qū)全年最小頻率風(fēng)向?yàn)闁|偏南45°。在化工裝置設(shè)備平面圖布置過程中，明火加熱爐宜集中布置在裝置的邊緣并靠近消防管道，且位于可燃?xì)怏w、液化烴、甲B 類、乙A 類可燃液體設(shè)備的全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)[1]。因此本裝置中加熱爐布置在西北角方位。

在加氫裝置中，加熱爐到反應(yīng)器之間管道的介質(zhì)通常具有高溫、高壓、流量大的特點(diǎn)，因此在這部分管道的選材上一般選用較為昂貴的奧氏體不銹鋼材料。在這部分管道設(shè)計(jì)過程中，在滿足防火間距、管道柔性的條件下將加熱爐與其相關(guān)的反應(yīng)器靠近布置，從而降低輸送過程中的溫降和壓降，同時(shí)降低昂貴管道的用量，節(jié)省投資。本例中加氫反應(yīng)器與加熱爐之間的防火間距不小于4.5 m，將反應(yīng)器與加熱爐布置在裝置主管橋的同側(cè)，之間設(shè)置副管橋，加熱爐區(qū)平面布置圖，如圖1所示。

圖1 加熱爐平面布置圖Fig.1 The plane layout of the heating furnace

加熱爐的配套鼓風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器、引風(fēng)機(jī)、煙囪等輔助設(shè)備設(shè)施的布置不得妨礙加熱爐和其本身的檢修，且緊湊布置。本例中鼓風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器、引風(fēng)機(jī)、煙囪等輔助設(shè)備設(shè)施布置在加熱爐的南側(cè)，不影響加熱爐的檢修。

2 加熱爐進(jìn)出口管道的設(shè)計(jì)

加熱爐管道在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)爐型的特點(diǎn)對進(jìn)出口工藝介質(zhì)管道、滅火蒸汽管道、燃料氣管道以及爐前管橋、管道支撐構(gòu)架（件）、操作檢修平臺(tái)等進(jìn)行綜合考慮，管道布置時(shí)管道不應(yīng)對抽出爐管、檢修爐管以及啟閉彎頭箱、防爆門、看火門等產(chǎn)生妨礙，做到滿足工藝要求，便于生產(chǎn)操作、安裝和維修，并盡可能布置美觀。

2.1 加氫裝置加熱爐進(jìn)出口管道的選材

本加氫裝置加熱爐進(jìn)出口管道介質(zhì)為煤焦油+氫氣，操作溫度300～400 ℃，操作壓力大于15 MPa。操作溫度和壓力較高，一般存在高溫氫腐蝕、高溫氫+硫化氫腐蝕、高溫硫腐蝕等腐蝕類型，因此這部分管道材質(zhì)多選用奧氏體不銹鋼。在具體選材時(shí)，對于高溫氫+硫化氫腐蝕環(huán)境中的管道，首先應(yīng)以介質(zhì)中的氫分壓和設(shè)計(jì)溫度加20～40 ℃的裕量為參數(shù)根據(jù)API 941 的Nelson 曲線進(jìn)行預(yù)選材。然后以介質(zhì)中的硫化氫含量和設(shè)計(jì)溫度為參數(shù)，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[2]。在本裝置中該部分管道選用ASTM A312 Grade TP347，對應(yīng)的鍛制管件和法蘭一般采用ASTM A182 GradeF347，鑄件（如閥門）對應(yīng)材料為ASTM A351 Grade CF8C。

2.2 加熱爐進(jìn)出口管道的設(shè)計(jì)

本加氫裝置采用爐前混氫的工藝方案，原料油和循環(huán)氫混合后進(jìn)入加熱爐共同加熱，管道內(nèi)介質(zhì)為氣液兩相流，流動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，需嚴(yán)格控制管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)以避免管道振動(dòng)。因此，加熱爐進(jìn)出口管道在設(shè)計(jì)過程中采用對稱布置的方式，從而保證進(jìn)出加熱爐的各路流體壓降相同。加熱爐進(jìn)出口工藝管道介質(zhì)具有較高溫度，管道熱位移大，但通常加熱爐進(jìn)、出管口受力要求苛刻，熱位移可調(diào)節(jié)量較小，管道的熱膨脹主要依靠與加熱爐進(jìn)、出管口相連接的管道來吸收。

因此加熱爐進(jìn)出口管道在布置過程中應(yīng)充分考慮管道柔性，以滿足加熱爐管口合理受力的要求。同時(shí)考慮到該部分管道價(jià)格較為昂貴，應(yīng)在保證管道有足夠柔性來吸收位移應(yīng)變的前提下，使管道的長度盡量短，從而盡可能減少投資。反應(yīng)進(jìn)料加熱爐進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)條件如表1所示。

表1 反應(yīng)進(jìn)料加熱爐進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)條件Tab.1 The design conditions of inlet and outlet piping for feed heating furnace

（1）加熱爐入口管道

來自高壓換熱器的油氣介質(zhì)管線應(yīng)遵循“步步高”的原則，在爐前分兩路進(jìn)入加熱爐，為保證加熱爐入口各管道分支流量的分配均勻，減少由于管道內(nèi)介質(zhì)兩相流而引起的管道振動(dòng)，管道采取對稱布置的方式?？紤]到檢修需求，加熱爐入口處設(shè)置了清焦用的可拆卸法蘭彎頭，質(zhì)量較大，因此在拆卸法蘭附近設(shè)置彈簧支吊架，以減小對加熱爐管口的受力。同時(shí)考慮到可拆卸彎頭需要較大的操作和維修空間，宜適當(dāng)加寬爐前平臺(tái)的面積，預(yù)留好彈簧支吊架的安裝位置空間。為保證管道的柔性，滿足管道各支撐點(diǎn)熱位移的有效吸收，在入口管道增加“π 彎”，部分支點(diǎn)選用彈簧支撐，如圖2所示。為避免氣液兩相流引起管道振動(dòng)，在管道的其他部位采用了剛性支架并增設(shè)限位支架。

圖2 反應(yīng)進(jìn)料加熱爐入口管道布置Fig.2 The arrangement of inlet piping for heating furnace

（2）加熱爐出口管道

加氫裝置中，原料油+氫氣經(jīng)加熱爐加熱后進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器入口位置較加熱爐出口位置高，所以加熱爐出口管道布置宜遵循“步步高”原則。為保證出口管道每路流量和壓降基本一致，同樣考慮對稱布置。為增強(qiáng)管道柔性，加熱爐兩路出口管道增加π 彎，并在π 彎處加設(shè)兩對法蘭以實(shí)現(xiàn)工藝可拆卸法蘭彎頭的要求。為防止兩相流振動(dòng)，在兩路匯合后的水平管段垂直熱位移較小處設(shè)置防振的導(dǎo)向支架及變力彈簧吊架。沿反應(yīng)器敷設(shè)的立管由于管段較長，產(chǎn)生的熱膨脹較大，因此考慮在靠近立管段的下方水平管上設(shè)置彈簧支架，生根在爐前管橋上。反應(yīng)進(jìn)料加熱爐出口管道布置如圖3所示。

圖3 反應(yīng)進(jìn)料加熱爐出口管道布置Fig.3 The arrangement of outlet piping for heating furnace

值得注意的是，加熱爐進(jìn)出口高壓不銹鋼管道選用的支吊架應(yīng)采用卡箍式管托和管道吊架，盡量減少或避免采用焊接型的管托和管道吊架。

由于加熱爐進(jìn)出口管道溫度高、熱位移大，導(dǎo)向支架在選用時(shí)，不宜選用管卡式的，以避免管道的軸向位移受到限制，應(yīng)選用框式導(dǎo)向支架；彈簧吊架在選用時(shí)，吊桿的長度不宜過短，需保證熱態(tài)下吊桿的偏移角度不超過4°。選用焊接型支架時(shí)，所用支架的材料應(yīng)與管道相同，以避免異種鋼焊接。

2.3 加熱爐進(jìn)出口管道的應(yīng)力分析

反應(yīng)進(jìn)料加熱爐進(jìn)出口管道處于高溫高壓工況下，熱位移大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的管道應(yīng)力計(jì)算及校核。管道靜力分析的內(nèi)容包括計(jì)算重力、壓力等荷載作用下的一次應(yīng)力，得到管道上各點(diǎn)綜合應(yīng)力值不應(yīng)超過最高操作溫度下的許用應(yīng)力，防止管道塑性變形破壞。此外，管道在熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移載荷作用下產(chǎn)生的二次應(yīng)力，計(jì)算得到的位移應(yīng)力不應(yīng)超過許用位移應(yīng)力范圍，防止管道疲勞破壞[3]。

加熱爐進(jìn)出口管道材料為ASTM A312 Grade TP347，20 ℃時(shí)，彈性模量為196 GPa，許用應(yīng)力為138 MPa；400 ℃時(shí)，彈性模量為177 GPa，許用應(yīng)力為138 MPa；20～400 ℃的線膨脹系數(shù)為1.85×10-5/ ℃。應(yīng)用CAESAR II 建立應(yīng)力分析模型，如圖4所示。通過對管道的靜力分析，管道一次應(yīng)力校核的綜合應(yīng)力值為許用應(yīng)力的45%，二次應(yīng)力校核的最大位移應(yīng)力值為許用位移應(yīng)力的17.2%，管道的一次、二次應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足管道安全要求。

圖4 反應(yīng)進(jìn)料加熱爐進(jìn)出口管道應(yīng)力分析模型Fig.4 Stress model of inlet and outlet piping for heating furnace

管道應(yīng)力分析還需考慮管道對加熱爐管口的推力和力矩，以防止作用力過大，影響加熱爐的正常工作。管道作用于加熱爐管口的載荷不應(yīng)超過加熱爐制造商或加熱爐專業(yè)規(guī)定的允許值，若制造商或者加熱爐專業(yè)沒有限制性要求，可按照API 560 的規(guī)定進(jìn)行初步計(jì)算。加熱爐管口載荷的計(jì)算結(jié)果及API 560 推薦的加熱爐管口允許受力，如表2所示。

表2 反應(yīng)進(jìn)料加熱爐進(jìn)出口管道對爐子管口的載荷Tab.2 The load of inlet and outlet piping to the furnace’s nozzles

通過應(yīng)力分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加熱爐多個(gè)管口的力、力矩超過API 560 推薦值，不能滿足管口受力要求。通過對多個(gè)類似的加熱爐管口受力分析發(fā)現(xiàn)，管道對爐子管口的載荷完全滿足API 560 的推薦值很難做到，多會(huì)出現(xiàn)某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)力、力矩不滿足推薦值的情況。API 560 在給出爐子管口允許載荷時(shí)，對諸如爐型，管口接管型式，爐管的支撐、排布方式、材質(zhì)、壁厚等諸多因素未做區(qū)分，具有較大的保守性[4]。

因此管道設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行加熱爐進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)前期即應(yīng)與加熱爐專業(yè)或者制造廠商根據(jù)以往成熟經(jīng)驗(yàn)協(xié)商將允許載荷放寬至API 560 規(guī)定允許受力的3～5 倍，或?qū)?yīng)力分析得到的爐子管口載荷及位移提交加熱爐專業(yè)認(rèn)可。

3 加熱爐燃料氣、蒸汽管道的設(shè)計(jì)

燃料氣及蒸汽管線作為加熱爐管道的重要組成部分，在對其布置過程中宜根據(jù)加熱爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)統(tǒng)一規(guī)劃，尤其在規(guī)劃加熱爐燃料氣、蒸汽盤管時(shí)需考慮到對爐子抽出爐管、檢修爐管的影響，同時(shí)應(yīng)注意避免管道對爐體上防爆門、看火門甚至儀表接口產(chǎn)生妨礙。滿足管道安裝、操作、維修的要求，同時(shí)考慮管道布置的整體美觀性。

3.1 燃料氣管道設(shè)計(jì)

加熱爐燃料氣管道應(yīng)設(shè)分配主管，以保證到各個(gè)燃燒器噴嘴的燃料氣都能均勻分布。去各燃燒器的燃料氣支管由分配主管上部引出，以保證進(jìn)噴嘴的燃料氣不攜帶水或凝液。在分配主管末端應(yīng)裝有DN20的排液閥，便于試運(yùn)沖洗及停工掃線后排液以及開工時(shí)取樣分析管道內(nèi)的氧含量[5]。燃料氣總管的末端應(yīng)設(shè)DN20 的排氣閥，閥后放氣管道分兩路，一路應(yīng)沿爐子平臺(tái)向上敷設(shè)至頂平臺(tái)高點(diǎn)放大氣，另一路至火炬裝置系統(tǒng)。

燃料氣的調(diào)節(jié)閥要裝在地面易于觀察和維修之處，除工藝有特殊要求外，燃料氣總管上的緊急切斷閥應(yīng)設(shè)在距加熱爐爐體15 m 以外的地方。此外，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為阻止燃燒器火焰蔓延，在每個(gè)燃料氣調(diào)節(jié)閥與加熱爐之間需設(shè)置阻火器。

底燒式燃燒器的燃料主管道一般布置在看火孔的上方。到各燃燒器的管道上配置雙閥，閥門應(yīng)設(shè)在看火孔附近，以便操作人員在觀察火焰的同時(shí)調(diào)節(jié)燃料氣用量。去各燃燒器的燃料氣支管必須從總管的上部接出，且不妨礙供風(fēng)管、看火孔、檢查門和燃燒器的安裝和檢修，如圖5所示。燃料氣至燃燒器處應(yīng)使用長度不小于0.6 m 的金屬軟管連接。

圖5 至各燃燒器的燃料氣支管布置Fig.5 Arrangement of fuel gas branch piping to burners

3.2 蒸汽管道設(shè)計(jì)

加熱爐相關(guān)的蒸汽系統(tǒng)主要有霧化蒸汽（僅用于燃料油作為燃料時(shí)）、爐膛滅火蒸汽、吹灰蒸汽以及伴熱蒸汽、消防蒸汽等。對于各路蒸汽，通常采取在爐前設(shè)置分配管的方式布置。

滅火蒸汽應(yīng)使用表壓為1.0 MPa 的過熱蒸汽，由裝置的主蒸汽管上直接引出，以便于任何運(yùn)行情況下都能供給蒸汽，滅火蒸汽管不得做其他用途，總閥應(yīng)鉛封開。至爐膛及回彎頭箱內(nèi)的滅火蒸汽應(yīng)由蒸汽分配管上部引出，蒸汽分配管下部需設(shè)置疏水系統(tǒng)，蒸汽分配管距加熱爐的距離不應(yīng)小于7.5 m，且應(yīng)布置在方便到達(dá)和操作的地方。滅火蒸汽管上的切斷閥集中設(shè)置在地面蒸汽分配管上，如圖6所示。

圖6 滅火蒸汽分配管布置Fig.6 Arrangement of fire extinguishing steam distribution piping

此外，加熱爐過熱蒸汽管出口放空管上應(yīng)設(shè)置放空消音器，消音器應(yīng)布置在爐體構(gòu)架的上部，且排氣口應(yīng)朝向裝置外，并高出該層平臺(tái)2.2 m 以上，防止對操作人員燙傷。

4 結(jié)束語

化工裝置加熱爐的配管設(shè)計(jì)，包括了加熱爐平面布置，主要管道的選材，爐子進(jìn)出口管道、燃料氣管道及蒸汽管道設(shè)計(jì)布置等多個(gè)方面內(nèi)容。加熱爐的配管設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足工藝要求前提下，以其相應(yīng)規(guī)范為依據(jù)，結(jié)合加熱爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮管道的布置以滿足安裝、操作、維修的需要。