加氫裝置加熱爐配管設計要點

任虎彪，景旭亮

（1.陜西延長石油（集團）有限責任公司，西安 710000；2.陜西延長石油（集團）有限責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、提升油品質量的作用。加氫裝置中反應加熱爐為催化反應提供了主要熱量，該部分管道具有高溫、高壓、介質易燃易爆腐蝕性強的特點，因此加氫加熱爐部分配管設計的合理性直接關系到裝置安全、長期、高效、平穩(wěn)地運行。

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)的氣象條件風向玫瑰圖如圖1所示，由圖可知該地區(qū)全年最小頻率風向為東偏南45°。在化工裝置設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，且位于可燃氣體、液化烴、甲B 類、乙A 類可燃液體設備的全年最小頻率風向的下風側[1]。因此本裝置中加熱爐布置在西北角方位。

在加氫裝置中，加熱爐到反應器之間管道的介質通常具有高溫、高壓、流量大的特點，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。在這部分管道設計過程中，在滿足防火間距、管道柔性的條件下將加熱爐與其相關的反應器靠近布置，從而降低輸送過程中的溫降和壓降，同時降低昂貴管道的用量，節(jié)省投資。本例中加氫反應器與加熱爐之間的防火間距不小于4.5 m，將反應器與加熱爐布置在裝置主管橋的同側，之間設置副管橋，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

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

2 加熱爐進出口管道的設計

加熱爐管道在設計過程中，應根據(jù)爐型的特點對進出口工藝介質管道、滅火蒸汽管道、燃料氣管道以及爐前管橋、管道支撐構架（件）、操作檢修平臺等進行綜合考慮，管道布置時管道不應對抽出爐管、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 加氫裝置加熱爐進出口管道的選材

本加氫裝置加熱爐進出口管道介質為煤焦油+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多選用奧氏體不銹鋼。在具體選材時，對于高溫氫+硫化氫腐蝕環(huán)境中的管道，首先應以介質中的氫分壓和設計溫度加20～40 ℃的裕量為參數(shù)根據(jù)API 941 的Nelson 曲線進行預選材。然后以介質中的硫化氫含量和設計溫度為參數(shù)，根據(jù)Couper Gorman 曲線估算預選材質的腐蝕速率，所選材質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，對應的鍛制管件和法蘭一般采用ASTM A182 GradeF347，鑄件（如閥門）對應材料為ASTM A351 Grade CF8C。

2.2 加熱爐進出口管道的設計

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

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

表1 反應進料加熱爐進出口管道設計條件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管線應遵循“步步高”的原則，在爐前分兩路進入加熱爐，為保證加熱爐入口各管道分支流量的分配均勻，減少由于管道內介質兩相流而引起的管道振動，管道采取對稱布置的方式?？紤]到檢修需求，加熱爐入口處設置了清焦用的可拆卸法蘭彎頭，質量較大，因此在拆卸法蘭附近設置彈簧支吊架，以減小對加熱爐管口的受力。同時考慮到可拆卸彎頭需要較大的操作和維修空間，宜適當加寬爐前平臺的面積，預留好彈簧支吊架的安裝位置空間。為保證管道的柔性，滿足管道各支撐點熱位移的有效吸收，在入口管道增加“π 彎”，部分支點選用彈簧支撐，如圖2所示。為避免氣液兩相流引起管道振動，在管道的其他部位采用了剛性支架并增設限位支架。

圖2 反應進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)加熱爐加熱后進入反應器，反應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。為增強管道柔性，加熱爐兩路出口管道增加π 彎，并在π 彎處加設兩對法蘭以實現(xiàn)工藝可拆卸法蘭彎頭的要求。為防止兩相流振動，在兩路匯合后的水平管段垂直熱位移較小處設置防振的導向支架及變力彈簧吊架。沿反應器敷設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置彈簧支架，生根在爐前管橋上。反應進料加熱爐出口管道布置如圖3所示。

圖3 反應進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，加熱爐進出口高壓不銹鋼管道選用的支吊架應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。

由于加熱爐進出口管道溫度高、熱位移大，導向支架在選用時，不宜選用管卡式的，以避免管道的軸向位移受到限制，應選用框式導向支架；彈簧吊架在選用時，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，所用支架的材料應與管道相同，以避免異種鋼焊接。

2.3 加熱爐進出口管道的應力分析

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

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

圖4 反應進料加熱爐進出口管道應力分析模型Fig.4 Stress model of inlet and outlet piping for heating furnace

管道應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)定進行初步計算。加熱爐管口載荷的計算結果及API 560 推薦的加熱爐管口允許受力，如表2所示。

表2 反應進料加熱爐進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

通過應力分析結果發(fā)現(xiàn)，加熱爐多個管口的力、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，多會出現(xiàn)某一項或某幾項力、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，對諸如爐型，管口接管型式，爐管的支撐、排布方式、材質、壁厚等諸多因素未做區(qū)分，具有較大的保守性[4]。

因此管道設計人員在進行加熱爐進出口管道設計前期即應與加熱爐專業(yè)或者制造廠商根據(jù)以往成熟經(jīng)驗協(xié)商將允許載荷放寬至API 560 規(guī)定允許受力的3～5 倍，或將應力分析得到的爐子管口載荷及位移提交加熱爐專業(yè)認可。

3 加熱爐燃料氣、蒸汽管道的設計

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)加熱爐的結構特點統(tǒng)一規(guī)劃，尤其在規(guī)劃加熱爐燃料氣、蒸汽盤管時需考慮到對爐子抽出爐管、檢修爐管的影響，同時應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，同時考慮管道布置的整體美觀性。

3.1 燃料氣管道設計

加熱爐燃料氣管道應設分配主管，以保證到各個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，以保證進噴嘴的燃料氣不攜帶水或凝液。在分配主管末端應裝有DN20的排液閥，便于試運沖洗及停工掃線后排液以及開工時取樣分析管道內的氧含量[5]。燃料氣總管的末端應設DN20 的排氣閥，閥后放氣管道分兩路，一路應沿爐子平臺向上敷設至頂平臺高點放大氣，另一路至火炬裝置系統(tǒng)。

燃料氣的調節(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設在距加熱爐爐體15 m 以外的地方。此外，發(fā)生火災時，為阻止燃燒器火焰蔓延，在每個燃料氣調節(jié)閥與加熱爐之間需設置阻火器。

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，閥門應設在看火孔附近，以便操作人員在觀察火焰的同時調節(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 蒸汽管道設計

加熱爐相關的蒸汽系統(tǒng)主要有霧化蒸汽（僅用于燃料油作為燃料時）、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，通常采取在爐前設置分配管的方式布置。

滅火蒸汽應使用表壓為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，總閥應鉛封開。至爐膛及回彎頭箱內的滅火蒸汽應由蒸汽分配管上部引出，蒸汽分配管下部需設置疏水系統(tǒng)，蒸汽分配管距加熱爐的距離不應小于7.5 m，且應布置在方便到達和操作的地方。滅火蒸汽管上的切斷閥集中設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設置放空消音器，消音器應布置在爐體構架的上部，且排氣口應朝向裝置外，并高出該層平臺2.2 m 以上，防止對操作人員燙傷。

4 結束語

化工裝置加熱爐的配管設計，包括了加熱爐平面布置，主要管道的選材，爐子進出口管道、燃料氣管道及蒸汽管道設計布置等多個方面內容。加熱爐的配管設計應在滿足工藝要求前提下，以其相應規(guī)范為依據(jù)，結合加熱爐結構特點，綜合考慮管道的布置以滿足安裝、操作、維修的需要。