摘" " " 要： 在環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的如今，加氫設(shè)備逐漸在石化行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，而反應(yīng)器作為一種關(guān)鍵設(shè)備需對其予以高度重視。在針對加氫反應(yīng)器進行設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合反應(yīng)器運行溫度偏高的特性，增加急冷氫系統(tǒng)，用于改善床層溫度分布，確保加氫反應(yīng)器床層的溫度始終控制在安全、合理的范圍之內(nèi)，促使所選用的催化劑活性可以穩(wěn)定地保持在最佳效果，進而提升反應(yīng)效率。結(jié)合加氫反應(yīng)器的急冷氫管道配管設(shè)計要點進行探究，同時結(jié)合案例針對管道設(shè)計的應(yīng)力效果進行分析。

關(guān)" 鍵" 詞：急冷氫管道；配管設(shè)計；應(yīng)力分析；加氫反應(yīng)器

中圖分類號：TQ052" " "文獻標(biāo)識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）02-0235-03

加氫反應(yīng)器正常運行時，設(shè)備會因溫度升高而出現(xiàn)熱脹反應(yīng)，相應(yīng)的急冷氫管道也會出現(xiàn)膨脹和升溫。急冷氫管道注入氫氣后會有溫度偏低的特性，由于管道內(nèi)部介質(zhì)是氫氣，因而在出現(xiàn)泄露問題時不會被輕易察覺。一般情況下，注入急冷氫的溫度需控制在60～80 ℃，加氫反應(yīng)器的溫度需控制在200～400 ℃，而兩者之間的熱脹量也存在著明顯差異，這就需要設(shè)計急冷氫管道時需要充分考慮配管的應(yīng)力性能，避免因熱脹反應(yīng)破壞管道，造成氫氣泄露，以此確保急冷氫管道不會潛藏安全風(fēng)險。

1" 加氫反應(yīng)器急冷氫管道配管設(shè)計要點

加氫反應(yīng)器的急冷氫管道設(shè)計流程主要有以下內(nèi)容：設(shè)計選用自混氫總線或是另設(shè)分支線作為注入氫氣的主要管道；設(shè)計主要用于控制催化劑床層溫度的各類基礎(chǔ)構(gòu)件，包括一個氫氣流量測量儀表、一個安裝在管道根部的閘閥，且該閘閥后側(cè)需要增設(shè)一個調(diào)節(jié)閥組，以確?？刂菩Ч?；設(shè)計熱電偶位置和數(shù)量，一般情況下可以在催化劑床層的同一高度布設(shè)一個具備多點位功能的熱電偶或分布設(shè)置3～4個獨立運行的熱電偶[1]。需要注意的是，采集溫度數(shù)據(jù)時應(yīng)當(dāng)以各個熱電偶的平均數(shù)作為依據(jù)。除此之外，需要在急冷氫管道調(diào)節(jié)閥與加氫反應(yīng)器相接的位置增設(shè)分別增設(shè)一個止回閥和Y型閥，其中止回閥的設(shè)計應(yīng)當(dāng)更靠近于加氫反應(yīng)器一側(cè)，用以防止氫氣產(chǎn)生逆流，而Y型閥應(yīng)當(dāng)設(shè)計在止回閥的上端，便于調(diào)節(jié)氫氣流量[2]。從加氫反應(yīng)器的急冷氫管道配管設(shè)計實際情況來看，影響設(shè)計效果和質(zhì)量的因素主要有開口方位、配管要求、管道等級等，為保證急冷氫管道設(shè)計效果，需注重以下具體設(shè)計要點：

1.1" 開口方位

加氫反應(yīng)器與急冷氫管道的連接位置需靠近反應(yīng)器內(nèi)部的急冷氫箱，便于后期進行維護檢修，使箱體的抽出和插入不受其他因素影響[3]。因此，針對急冷氫管道開口方位進行具體設(shè)計的過程中，需要充分考慮反應(yīng)器內(nèi)設(shè)箱體的抽出空間，盡可能避免出現(xiàn)正面朝向加氫反應(yīng)器立柱或是斜拉的設(shè)計，同時要保證箱體與其相鄰的熱電偶之間存在一定角度，該角度可控制為90°。

1.2" 明確管道等級

距離加氫反應(yīng)器更近的急冷氫管道一側(cè)溫度會偏高，此外其他位置的溫度一般較低，通常在80 ℃左右的范圍[4]。因此，在明確急冷氫管道運行實際壓力等級后，應(yīng)當(dāng)綜合考慮管道材料選用標(biāo)準(zhǔn)，需主選可以滿足高溫環(huán)境條件的管道材料，以此避免因管道耐高溫性能較差，導(dǎo)致材料出現(xiàn)非必要浪費。與此同時，需對Y型閥和閘閥的選材進行明確，例如，在加氫反應(yīng)器與Y型閥之間還存在一個止回閥，因而以Y型閥為界時，其前段部分的材質(zhì)可選用碳鋼，其后端包括Y型閥的材質(zhì)可選用不銹鋼，同時需要增設(shè)一對法蘭變更材質(zhì)，以保障管道安全性[5]。

1.3" 調(diào)節(jié)閥的設(shè)計

就急冷氫管道的止回閥設(shè)計和安裝來說，其作為關(guān)鍵的調(diào)節(jié)閥，應(yīng)當(dāng)設(shè)計并安裝在距離加強反應(yīng)器更近的急冷氫注入口，以此避免發(fā)生油氣逆流問題，甚至出現(xiàn)油漆進入氫氣產(chǎn)生安全隱患。Y型閥與閘閥的設(shè)計和安裝位置，應(yīng)當(dāng)在距離注入急冷氫端口的≮3 m（管道長度）處，促使碳鋼一側(cè)的溫度條件更加靠近急冷氫的溫度標(biāo)注[6]。一般情況下，用于調(diào)節(jié)控制急冷氫管道溫度的調(diào)節(jié)閥組需設(shè)計并安裝于在地面之上。變更材質(zhì)的一對法蘭以及材質(zhì)為不銹鋼的閥門可設(shè)計并安裝在符合距離規(guī)定的具體位置，或是與調(diào)節(jié)閥組一并設(shè)計并安裝在地面之上[7]。

1.4" 配管要求

正常情況下，急冷氫管道的溫度變化不會十分劇烈，但距離加氫反應(yīng)器端口位置的環(huán)境溫度會相對偏高，且加氫反應(yīng)器的冷氫管嘴容易因環(huán)境溫度變化而出現(xiàn)升溫[8]。為有效確保注入氫氣的端口不會發(fā)生泄漏問題，防止加氫反應(yīng)器對急冷氫管道產(chǎn)生過大的應(yīng)力拉扯，需充分考慮急冷氫管道的柔性標(biāo)準(zhǔn)，同時在配管設(shè)計中加強急冷氫管道應(yīng)力分析和計算，以此明確設(shè)置彈簧支吊架的位置，從而全面確保急冷氫管道實際應(yīng)用效果。

設(shè)計急冷氫管道是應(yīng)結(jié)合其用途，即此類管道主要用于向催化劑床層注入急冷氫，便于實時掌握和控制反應(yīng)器中的催化劑床層溫度。通常情況下，急冷氫溫度為70 ℃左右，而反應(yīng)器溫度大多在400 ℃左右，若是加氫過程中反應(yīng)器出現(xiàn)熱膨脹反應(yīng)，急冷氫管道很有可能出現(xiàn)明顯上移，這也是急冷氫管道配管設(shè)計時要做到柔性設(shè)計的主要原因之一，確保配管和急冷氫裝置上層梁平臺有可用空間，避免有回閥情況。配管設(shè)計時需對閥門規(guī)劃和反應(yīng)器安裝等進行綜合考慮，既要方便應(yīng)急操作，也要避免出現(xiàn)支架脫空。急冷氫管道配管設(shè)計中需視具體情況增加彎管設(shè)計，并設(shè)計彈簧支架。其中設(shè)計彈簧支架和彎管構(gòu)造時，需結(jié)合配管應(yīng)力分析結(jié)果，確保彈簧和彎管可以起到應(yīng)有作用確保加氫過程安全。

2" 加氫反應(yīng)器急冷氫管道配管設(shè)計案例及應(yīng)力分析

由于應(yīng)力拉扯作用僅體現(xiàn)在急冷氫管道距離加氫反應(yīng)器更近一側(cè)的管口處，因而在針對急冷氫管道進行配管設(shè)計時，一般會選擇利用“π型彎”消除因拉扯產(chǎn)生的應(yīng)力，進而確保管道應(yīng)用效果[9]。當(dāng)前，“π型彎”管道設(shè)計主要有兩種，即立式π型管道和水平π式管道。以某加氫反應(yīng)器為例，分別介紹兩種配管設(shè)計方式，兩種急冷氫管道設(shè)計如圖1所示。

借助計算機軟件對上述兩種利用“π型彎”設(shè)計的急冷氫管道進行應(yīng)力分析。

兩種急冷氫管道的配管設(shè)計方式均將管線支架安裝于加氫反應(yīng)器的平臺上，并且在管道的第一個轉(zhuǎn)彎處設(shè)計并安裝恒力彈簧吊架，同時設(shè)計了“門型”的支架用作支撐彈簧的生根位置。兩種“π型彎”設(shè)計的急冷氫管道應(yīng)力分析如下：

2.1" 支架方式

立式“π型彎”：在管道的第一個轉(zhuǎn)彎處設(shè)計恒力彈簧吊架，“π型彎”貫穿下側(cè)平臺的位置設(shè)計一般彈簧架，依據(jù)“π型彎”的情況在計算機軟件中輸入選用的彈簧架支架方式。“π型彎”后側(cè)豎向貫穿反應(yīng)器平臺的位置設(shè)計導(dǎo)向架和彈簧架；水平“π型彎”：在管道的第一個轉(zhuǎn)彎處設(shè)計恒力彈簧吊架，“π型彎”的對角轉(zhuǎn)彎處后側(cè)設(shè)計一般彈簧架，依據(jù)“π型彎”的情況在計算機軟件中輸入選用的彈簧架支架方式。“π型彎”后側(cè)豎向貫穿反應(yīng)器平臺的位置設(shè)計導(dǎo)向架和彈簧架[10]。

2.2" 安裝恒力彈簧架

用于加氫反應(yīng)器的急冷氫管道彈簧支吊架以及導(dǎo)向架，一般要固定在反應(yīng)器的實體平臺上。管道第一個轉(zhuǎn)彎處安裝的彈簧架應(yīng)當(dāng)選用恒力彈簧吊架，由于該處位置會產(chǎn)生較大的位移，因而需根據(jù)實際情況選用兩種不同的彈簧架安裝方式。

第一種是將恒力彈簧架安裝在平臺下側(cè)，這種情況可選用的恒力彈簧架規(guī)格有PA型和PE型兩種，具體應(yīng)依據(jù)固定梁的實際情況明確，固定于反應(yīng)器平臺梁位置，需將恒力彈簧架安裝在平臺下側(cè)，以此能夠有效降低反應(yīng)器擁擠率，便于工作人員后續(xù)的維護和檢修。需要注意的是，安裝恒力彈簧架應(yīng)當(dāng)充分考慮配管與彈簧架之間的空間協(xié)調(diào)性，確保反應(yīng)器平臺下側(cè)有充足的彈簧架安裝預(yù)留空間。

第二種是將恒力彈簧架安裝在反應(yīng)器平臺的上側(cè)，此類情況需選用PD型恒力彈簧架，安裝時需要在平臺上側(cè)設(shè)置“門型”支架，用以有效固定恒力彈簧架，通過上側(cè)安裝恒力彈簧架不會對反應(yīng)器平臺的下側(cè)空間造成過多影響，因而不會對管道設(shè)計產(chǎn)生制約，但將占據(jù)一定位置的反應(yīng)器操作空間，因此可以在加氫反應(yīng)器操作平臺空間充足時選用此類安裝方法[11]。

2.3" 受力分析

為加強受力分析準(zhǔn)確性和可靠性，本文在立式π型管道和水平π型管道上各選擇了四個位置的受力數(shù)據(jù)（最大值），具體情況如表1所示。

同時，為確保受力分析具備實踐價值，針對以上四個位置的應(yīng)力位移情況也進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計。其中，立式π型管道和水平π型管道的加氫反應(yīng)器急冷氫注入端口與恒力彈簧架的位移數(shù)據(jù)一致，均為87 mm和83 mm，但另外兩個位置的位移數(shù)據(jù)顯示，立式π管道的一般彈簧架和導(dǎo)向架位移情況比水平π型管道的更好。綜合分析來看，根據(jù)該加氫反應(yīng)器急冷氫管道設(shè)計要求，立式π型管道和水平π型管道的應(yīng)力和位移情況均符合標(biāo)準(zhǔn)。

3" 結(jié)束語

針對加氫反應(yīng)器的急冷氫管道配管設(shè)計和應(yīng)力分析得出以下結(jié)論：

1）急冷氫管道需增設(shè)變更材質(zhì)法蘭，距離加氫反應(yīng)器更近的一側(cè)選用材質(zhì)為不銹鋼的管道，更遠的一側(cè)選用材質(zhì)為碳鋼的管道，同時保證法蘭距離加氫反應(yīng)器的急冷氫注入端口的管線長度≮3 m。

2）為便于設(shè)計和安裝彈簧支吊，同時合理分布急冷氫管道，建議選用立式π管道設(shè)計。若需要串聯(lián)多臺加氫反應(yīng)器，各個加氫反應(yīng)器之間的急冷氫注入端口位置，應(yīng)考慮溫度變化時管道端口的位移情況，以此滿足管道應(yīng)力變化需求。

3）可以將急冷氫線上調(diào)節(jié)閥組布置在地面，Y型閥（或閘閥）及法蘭靠近調(diào)節(jié)閥組安裝，便于操作和檢修。

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Piping Design and Stress Analysis of Quenching

Hydrogen Pipeline in Hydrogenation Reactor

WANG Li-yuan

（Wood Zone Co.， Ltd. Liaoning Branch， Shenyang Liaoning 110004， China）

Abstract： With the continuous improvement of environmental protection standards， the hydrogenation equipment has gradually been widely used in the petrochemical industry， and the reactor， as a key equipment， needs to be highly valued. In the process of designing the hydrogenation reactor， a quenching hydrogen system should be added in combination with the high operating temperature of the reactor to improve the temperature distribution of the bed and ensure that the bed temperature of hydrogenation reactor is always controlled within a safe and reasonable range， the activity of the selected catalyst can be stably maintained at the best effect， thereby improving the reaction efficiency. In this paper， the design points of the quenching hydrogen pipeline of the hydrogenation reactor were explored， and the stress effect of the pipeline design was analyzed with a case.

Key words： Quench hydrogen piping; Piping design; Stress analysis; Hydrogenation reactor