劉　容，王全衛(wèi)，吳殊斌

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢　430223)

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劉容，王全衛(wèi)，吳殊斌

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223)

摘要：反應(yīng)再生系統(tǒng)進(jìn)料管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作參數(shù)高且工況組合繁多。針對(duì)反應(yīng)-再生系統(tǒng)出現(xiàn)的應(yīng)力計(jì)算工況考慮嚴(yán)重不足、設(shè)備材質(zhì)模擬不正確及未考慮盲管段冷凝等問(wèn)題，分析了相應(yīng)的后果。通過(guò)采用管道柔性分析軟件CAESARⅡ，計(jì)算了不同工況下原設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力分布及管口荷載，并據(jù)此提出了整改措施。實(shí)踐證明：方案實(shí)施后現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行正常。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)再生系統(tǒng)；柔性分析；盲管段；整改

反應(yīng)-再生工序作為某煤制烯烴項(xiàng)目的核心，由反應(yīng)器、反應(yīng)進(jìn)料系統(tǒng)、催化劑再生系統(tǒng)以及廢熱回收系統(tǒng)等組成。設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)工序考慮為3套反應(yīng)-再生系統(tǒng)，其中2套系統(tǒng)反應(yīng)，同時(shí)另一套系統(tǒng)再生或再生完成后等待。物料通過(guò)共用設(shè)備頂部的4個(gè)管嘴進(jìn)入反應(yīng)器，系統(tǒng)的反應(yīng)和再生切換通過(guò)各自端部的在線盲板閥和閘閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。反應(yīng)和再生系統(tǒng)在正常操作時(shí)的溫度分別為474 ℃和480 ℃，管道材質(zhì)為鉻-鉬鋼，設(shè)備殼體材質(zhì)為奧氏體不銹鋼。

為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)該系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)包進(jìn)行了復(fù)核，發(fā)現(xiàn)該管道系統(tǒng)的應(yīng)力超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值，設(shè)備管口受力亦超出了反應(yīng)器制造商給出的允許值，系統(tǒng)的安全運(yùn)行不能被保證。為確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和長(zhǎng)周期運(yùn)行，本文針對(duì)產(chǎn)生問(wèn)題的原因進(jìn)行了全面分析，并運(yùn)用管道柔性分析軟件對(duì)系統(tǒng)的各種可能工況進(jìn)行了模擬，提出了相應(yīng)的整改措施，以滿足相關(guān)的要求。

1原因分析

1.1系統(tǒng)的工況

反應(yīng)器R-C的反應(yīng)-再生進(jìn)料系統(tǒng)管道平面布置見(jiàn)圖1。對(duì)于該系統(tǒng)，當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)在正常運(yùn)作時(shí)，其相應(yīng)的再生系統(tǒng)通過(guò)關(guān)閉端部閥門而處于關(guān)閉狀態(tài)。反之，當(dāng)再生系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其相應(yīng)的反應(yīng)系統(tǒng)亦處于關(guān)閉狀態(tài)。整個(gè)反應(yīng)-再生工序的工藝流程見(jiàn)圖2，對(duì)于整個(gè)工序，因?yàn)?套系統(tǒng)的開(kāi)車、反應(yīng)、再生、等待和停車等工況的不同，可出現(xiàn)多種可能的工況組合(典型工況見(jiàn)表1)。

圖1　反應(yīng)器R-C反應(yīng)-再生系統(tǒng)進(jìn)料管道平面布置

圖2　反應(yīng)-再生工序工藝流程示意

序號(hào)反應(yīng)器A反應(yīng)器B反應(yīng)器C1開(kāi)車等待等待2等待開(kāi)車等待3等待等待開(kāi)車4反應(yīng)反應(yīng)再生5反應(yīng)反應(yīng)等待6再生反應(yīng)反應(yīng)7等待反應(yīng)反應(yīng)8反應(yīng)再生反應(yīng)9反應(yīng)等待反應(yīng)

1.1.1反應(yīng)和再生的切換

在反應(yīng)和再生的切換操作中，2個(gè)系統(tǒng)的溫度可能均處于最高狀態(tài)，約為474～480 ℃。圖1所示反應(yīng)器R-C的相關(guān)管道，其主管至設(shè)備管口法蘭之間在豎直方向上幾乎為管件對(duì)管件連接，管口RC-1和RC-2之間的距離L為7 686 mm。反應(yīng)器材質(zhì)在480 ℃時(shí)的平均線膨脹系數(shù)α為18.26×10-6mm/ ℃；與之對(duì)應(yīng)的管道材質(zhì)在480 ℃時(shí)的平均線膨脹系數(shù)α為13.75×10-6mm/ ℃[1]，熱脹量δ按以下公式[2]計(jì)算：

δ=αL(T操作-T安裝)

計(jì)算得出相應(yīng)的設(shè)備和管道的熱膨脹量分別為64.5 mm和49.5 mm，兩者相差15 mm。對(duì)于L(見(jiàn)圖1所示點(diǎn)劃線間距離)范圍以外的管道，由于其溫度相當(dāng)，材質(zhì)相同，兩者的熱膨脹差異較小，可以通過(guò)管道變形吸收，不會(huì)由于溫度而產(chǎn)生大的應(yīng)力和載荷。但由于設(shè)備和管道材質(zhì)不同，熱膨脹量不同，熱膨脹差異造成較大的應(yīng)力和管口載荷。

1.1.2反應(yīng)正常操作時(shí)再生等待

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行正常反應(yīng)操作時(shí)，其反應(yīng)進(jìn)料管道和設(shè)備的溫度相同。相應(yīng)的再生系統(tǒng)管道端部閥門關(guān)閉，形成介質(zhì)不流動(dòng)的盲管段。由于自然對(duì)流和熱輻射，該段管道溫度下降，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)必將趨近環(huán)境溫度[2]。如果該段按100 ℃(考慮熱傳導(dǎo)因素)計(jì)算，與相應(yīng)的反應(yīng)管道的熱變形相差約為31 mm。同時(shí)，由于反應(yīng)器和再生管道的溫度差別及材質(zhì)差別(具體分析同1.1.1)，二者熱變形差值約為50 mm，系統(tǒng)沒(méi)有足夠的柔性來(lái)吸收這個(gè)變形差，因此會(huì)在圖1所示三通Node2140和彎頭Node2089及類似位置形成超過(guò)規(guī)范允許值的應(yīng)力，管口載荷亦會(huì)超出設(shè)備允許值。

1.1.3再生正常操作時(shí)反應(yīng)等待

當(dāng)再生系統(tǒng)正常操作時(shí)，其管道溫度和設(shè)備相同。而相應(yīng)的反應(yīng)系統(tǒng)端部閥門關(guān)閉，形成盲管段。由于自然對(duì)流和熱輻射，該段管道熱量損失，溫度下降，與再生系統(tǒng)管道形成較大溫度差。分析同1.1.2，必然亦會(huì)在反應(yīng)與再生管道相交的三通處形成較大的應(yīng)力。

1.1.43套系統(tǒng)的工況組合

如表1所示，3套系統(tǒng)的相互切換可能產(chǎn)生多種工況。以反應(yīng)器A和B正常反應(yīng)、反應(yīng)器C再生為例，反應(yīng)器A和B的再生系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，從而形成了近百米無(wú)介質(zhì)流動(dòng)的盲管段，會(huì)造成再生管系主管上的軸向限位支架過(guò)載，部分管件應(yīng)力超出規(guī)范要求。對(duì)于僅開(kāi)反應(yīng)器A的反應(yīng)進(jìn)料管道，進(jìn)料管道主管的支架亦存在同樣的問(wèn)題。

原設(shè)計(jì)僅考慮了整個(gè)反應(yīng)-再生管道系統(tǒng)均為高溫的工況(如1.1.1節(jié))，與實(shí)際工況不符，且在管道柔性分析的建模過(guò)程中未考慮設(shè)備與管道的材質(zhì)差異，導(dǎo)致了管道系統(tǒng)應(yīng)力超過(guò)規(guī)范要求、設(shè)備開(kāi)孔及法蘭連接處載荷超過(guò)允許值，系統(tǒng)存在較大的安全隱患。

1.2盲管段冷凝[3]

當(dāng)反應(yīng)或再生系統(tǒng)處于等待狀態(tài)時(shí)，從其主管到端部閥門形成了很長(zhǎng)的盲管段。這段管道在沒(méi)有介質(zhì)流動(dòng)的情況下，會(huì)逐漸向自然環(huán)境散失熱量，其溫度會(huì)接近環(huán)境溫度。由于反應(yīng)進(jìn)料介質(zhì)中含有水蒸氣，當(dāng)這段管道的溫度降低至水蒸氣分壓對(duì)應(yīng)的飽和溫度以下時(shí)，會(huì)有冷凝液析出，并不斷凝結(jié)至管道底部。該系統(tǒng)中出現(xiàn)冷凝水，其危害性是巨大的，主要包括以下幾點(diǎn)。

(1)管道材質(zhì)為鉻-鉬鋼，溶于冷凝液中的腐蝕性介質(zhì)會(huì)造成管道的腐蝕。

(2)在溫度下降過(guò)程中，冷凝水在管道底部積聚，其溫度會(huì)比蒸汽溫度低，從而造成水平管道截面內(nèi)的溫度分層，使管道出現(xiàn)所謂的彩虹橋效應(yīng)(Bowing Effect)，破壞管道本身及支架。

(3)冷凝水的質(zhì)量會(huì)造成支架的載荷重新分配，特別是對(duì)彈簧支架影響較大。

2整改方案

2.1增加管道柔性

運(yùn)用CAESARII管道應(yīng)力分析軟件，根據(jù)1.1節(jié)的分析，建立該系統(tǒng)的柔性分析模型，對(duì)該系統(tǒng)的原始方案進(jìn)行多工況的模擬。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在原方案的基礎(chǔ)上，采用局部修改管道增加管道柔性的方法，以期解決反應(yīng)-再生系統(tǒng)因溫度及材質(zhì)的不一致而造成的應(yīng)力問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整管道的支架，以便減小反應(yīng)-再生管系的主管對(duì)3套系統(tǒng)的影響。修改方案的模型見(jiàn)圖3。其中RS-2，4，5，6，7和8為軸向限位支架，RS-1和RS-3為滑動(dòng)支架，RS-1～6設(shè)置在設(shè)備封頭上。

圖3　單套反應(yīng)再生系統(tǒng)修改預(yù)案示意

表2列出了原方案和修改方案的應(yīng)力分析結(jié)果，并與規(guī)范允許值進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，原方案的應(yīng)力最大值是規(guī)范值的2倍多，管口載荷是設(shè)備允許值的約15倍。通過(guò)對(duì)管道的局部修改和支架調(diào)整，設(shè)備管口的受力及管道系統(tǒng)的應(yīng)力分布有了明顯的改善，均處于規(guī)范允許值范圍內(nèi)，能夠滿足安全使用的需要。

表2　原方案和修改方案的應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比表

注：1.表中修改方案的管口載荷僅計(jì)入最苛刻工況的值；2.原方案1，2和3分別對(duì)應(yīng)于1.1.1，1.1.2和1.1.3的分析。

2.2防止冷凝

為避免在盲管段中出現(xiàn)冷凝，對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)進(jìn)行伴熱，將其溫度維持在一定范圍，防止冷凝出現(xiàn)。伴熱方式可以為中壓蒸汽伴熱、電伴熱或蒸汽和電雙重伴熱。

3結(jié)語(yǔ)

從解決管道系統(tǒng)應(yīng)力和冷凝這兩方面出發(fā)，以滿足管道應(yīng)力、支架及設(shè)備管口受力為目標(biāo)，在現(xiàn)場(chǎng)已部分施工的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)施的整改方案經(jīng)受住了開(kāi)車和運(yùn)行的考驗(yàn)。實(shí)踐證明了整改方案的有效性和合理性，為以后類似項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

在復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中，應(yīng)全面論證各種工況組合的可能性，同時(shí)也要考慮各工況條件下系統(tǒng)的特殊情況，以獲得更加安全、合理和經(jīng)濟(jì)的方案。

參考文獻(xiàn)：

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[3]MAHabib, HM Badr, SAM Said, EMA Mokheimer, I.Hussaini, and M.Al-Sanaa.Characteristics of flow field and water concentration in a horizontal dead leg.Heat and mass transfer[J].2005，41(4):315-326.

Study and Countermeasures of Flexibility Problems for Reaction-Regeneration Piping System

LIU Rong, WANG Quan-wei, WU Shu-bin

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：Feed pipeline of reaction-regeneration section is a complicated system with its complex structure, severe operating conditions and multiple load cases. A series of problems such as a distinct lack of important load cases, wrong modeling of reactor material and without consideration of condensate in dead leg are found and relevant consequences are discussed. Piping flexibility analysis software CAESARⅡ is employed to calculate the stresses of the system and external loads imposed on the reactor nozzles under different conditions. Based on the analysis, rectification measure is put forward and executed on site. Thereafter the remedied system has been operating normally.

Keywords：reaction-regeneration system; flexibility analysis; dead leg; remedy

收稿日期：2015-11-12

中圖分類號(hào)：TQ 052.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-8901(2016)02-0051-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.014 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.014

作者簡(jiǎn)介：劉容(1981年-)，男，湖北宜昌人，2007年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事化工工程項(xiàng)目的管道材料控制和應(yīng)力分析等工作。