某反應再生管系柔性問題的分析及對策

劉　容，王全衛，吳殊斌

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢　430223)

?

劉容，王全衛，吳殊斌

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢430223)

摘要：反應再生系統進料管道結構復雜、操作參數高且工況組合繁多。針對反應-再生系統出現的應力計算工況考慮嚴重不足、設備材質模擬不正確及未考慮盲管段冷凝等問題，分析了相應的后果。通過采用管道柔性分析軟件CAESARⅡ，計算了不同工況下原設計方案的應力分布及管口荷載，并據此提出了整改措施。實踐證明：方案實施后現場系統運行正常。

關鍵詞：反應再生系統；柔性分析；盲管段；整改

反應-再生工序作為某煤制烯烴項目的核心，由反應器、反應進料系統、催化劑再生系統以及廢熱回收系統等組成。設計時整個工序考慮為3套反應-再生系統，其中2套系統反應，同時另一套系統再生或再生完成后等待。物料通過共用設備頂部的4個管嘴進入反應器，系統的反應和再生切換通過各自端部的在線盲板閥和閘閥來實現的。反應和再生系統在正常操作時的溫度分別為474 ℃和480 ℃，管道材質為鉻-鉬鋼，設備殼體材質為奧氏體不銹鋼。

為保證系統的安全運行，對該系統的原設計包進行了復核，發現該管道系統的應力超出了標準規范值，設備管口受力亦超出了反應器制造商給出的允許值，系統的安全運行不能被保證。為確保系統的安全、穩定和長周期運行，本文針對產生問題的原因進行了全面分析，并運用管道柔性分析軟件對系統的各種可能工況進行了模擬，提出了相應的整改措施，以滿足相關的要求。

1原因分析

1.1系統的工況

反應器R-C的反應-再生進料系統管道平面布置見圖1。對于該系統，當反應系統在正常運作時，其相應的再生系統通過關閉端部閥門而處于關閉狀態。反之，當再生系統運行時，其相應的反應系統亦處于關閉狀態。整個反應-再生工序的工藝流程見圖2，對于整個工序，因為3套系統的開車、反應、再生、等待和停車等工況的不同，可出現多種可能的工況組合(典型工況見表1)。

圖1　反應器R-C反應-再生系統進料管道平面布置

圖2　反應-再生工序工藝流程示意

序號反應器A反應器B反應器C1開車等待等待2等待開車等待3等待等待開車4反應反應再生5反應反應等待6再生反應反應7等待反應反應8反應再生反應9反應等待反應

1.1.1反應和再生的切換

在反應和再生的切換操作中，2個系統的溫度可能均處于最高狀態，約為474～480 ℃。圖1所示反應器R-C的相關管道，其主管至設備管口法蘭之間在豎直方向上幾乎為管件對管件連接，管口RC-1和RC-2之間的距離L為7 686 mm。反應器材質在480 ℃時的平均線膨脹系數α為18.26×10-6mm/ ℃；與之對應的管道材質在480 ℃時的平均線膨脹系數α為13.75×10-6mm/ ℃[1]，熱脹量δ按以下公式[2]計算：

δ=αL(T操作-T安裝)

計算得出相應的設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。對于L(見圖1所示點劃線間距離)范圍以外的管道，由于其溫度相當，材質相同，兩者的熱膨脹差異較小，可以通過管道變形吸收，不會由于溫度而產生大的應力和載荷。但由于設備和管道材質不同，熱膨脹量不同，熱膨脹差異造成較大的應力和管口載荷。

1.1.2反應正常操作時再生等待

當系統進行正常反應操作時，其反應進料管道和設備的溫度相同。相應的再生系統管道端部閥門關閉，形成介質不流動的盲管段。由于自然對流和熱輻射，該段管道溫度下降，在足夠長的時間內必將趨近環境溫度[2]。如果該段按100 ℃(考慮熱傳導因素)計算，與相應的反應管道的熱變形相差約為31 mm。同時，由于反應器和再生管道的溫度差別及材質差別(具體分析同1.1.1)，二者熱變形差值約為50 mm，系統沒有足夠的柔性來吸收這個變形差，因此會在圖1所示三通Node2140和彎頭Node2089及類似位置形成超過規范允許值的應力，管口載荷亦會超出設備允許值。

1.1.3再生正常操作時反應等待

當再生系統正常操作時，其管道溫度和設備相同。而相應的反應系統端部閥門關閉，形成盲管段。由于自然對流和熱輻射，該段管道熱量損失，溫度下降，與再生系統管道形成較大溫度差。分析同1.1.2，必然亦會在反應與再生管道相交的三通處形成較大的應力。

1.1.43套系統的工況組合

如表1所示，3套系統的相互切換可能產生多種工況。以反應器A和B正常反應、反應器C再生為例，反應器A和B的再生系統處于等待狀態，從而形成了近百米無介質流動的盲管段，會造成再生管系主管上的軸向限位支架過載，部分管件應力超出規范要求。對于僅開反應器A的反應進料管道，進料管道主管的支架亦存在同樣的問題。

原設計僅考慮了整個反應-再生管道系統均為高溫的工況(如1.1.1節)，與實際工況不符，且在管道柔性分析的建模過程中未考慮設備與管道的材質差異，導致了管道系統應力超過規范要求、設備開孔及法蘭連接處載荷超過允許值，系統存在較大的安全隱患。

1.2盲管段冷凝[3]

當反應或再生系統處于等待狀態時，從其主管到端部閥門形成了很長的盲管段。這段管道在沒有介質流動的情況下，會逐漸向自然環境散失熱量，其溫度會接近環境溫度。由于反應進料介質中含有水蒸氣，當這段管道的溫度降低至水蒸氣分壓對應的飽和溫度以下時，會有冷凝液析出，并不斷凝結至管道底部。該系統中出現冷凝水，其危害性是巨大的，主要包括以下幾點。

(1)管道材質為鉻-鉬鋼，溶于冷凝液中的腐蝕性介質會造成管道的腐蝕。

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

(3)冷凝水的質量會造成支架的載荷重新分配，特別是對彈簧支架影響較大。

2整改方案

2.1增加管道柔性

運用CAESARII管道應力分析軟件，根據1.1節的分析，建立該系統的柔性分析模型，對該系統的原始方案進行多工況的模擬。并結合現場的實際情況，在原方案的基礎上，采用局部修改管道增加管道柔性的方法，以期解決反應-再生系統因溫度及材質的不一致而造成的應力問題。同時，通過調整管道的支架，以便減小反應-再生管系的主管對3套系統的影響。修改方案的模型見圖3。其中RS-2，4，5，6，7和8為軸向限位支架，RS-1和RS-3為滑動支架，RS-1～6設置在設備封頭上。

圖3　單套反應再生系統修改預案示意

表2列出了原方案和修改方案的應力分析結果，并與規范允許值進行了比較。結果表明，原方案的應力最大值是規范值的2倍多，管口載荷是設備允許值的約15倍。通過對管道的局部修改和支架調整，設備管口的受力及管道系統的應力分布有了明顯的改善，均處于規范允許值范圍內，能夠滿足安全使用的需要。

表2　原方案和修改方案的應力分析結果對比表

注：1.表中修改方案的管口載荷僅計入最苛刻工況的值；2.原方案1，2和3分別對應于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冷凝，對整個管道系統進行伴熱，將其溫度維持在一定范圍，防止冷凝出現。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結語

從解決管道系統應力和冷凝這兩方面出發，以滿足管道應力、支架及設備管口受力為目標，在現場已部分施工的基礎上，提出并實施的整改方案經受住了開車和運行的考驗。實踐證明了整改方案的有效性和合理性，為以后類似項目的方案設計積累了經驗。

在復雜系統的應力分析設計中，應全面論證各種工況組合的可能性，同時也要考慮各工況條件下系統的特殊情況，以獲得更加安全、合理和經濟的方案。

參考文獻：

[1] GB 50316—2000, 工業金屬管道設計規范[S].

[2]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2003.

[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：TQ 052.5

文獻標識碼：B

文章編號：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

作者簡介：劉容(1981年-)，男，湖北宜昌人，2007年畢業于南京工業大學化工過程機械專業，碩士，工程師，現主要從事化工工程項目的管道材料控制和應力分析等工作。