化工废气制氢高温管道应力优化

摘 要：化工装置中与反应器相连管线主要具有高温、高压、管径大、管壁厚的的特点。因此，为了保证高温管道布置安全可靠，经济有效，对该系列管线进行管道应力分析显得尤为重要。

关键词：变换反应;高温管道;应力分析

结合a公司化工废气制氢工程，介绍了转化反应段的工艺流程及管道特点，利用CAESARII建模，对转化反应段高温管道的进行应力分析，并利用压力等效法对法兰进行校核。结果表明，更改管道走向，调整支架位置，设置弹簧支吊架可以增加管道的灵活性，使高温管道对设备管口的载荷满足标准规范的要求，法蘭面等效的压力小于温压表中的许用载荷，保证管道及所连接设备的安全运行。

1 改造反应段的工艺和管道特性

该装置主要由原料气净化段--转化反应段--脱硫段--脱碳段--氢气抽提段五部分组成。转化反应段的过程简述如下：变换I部分原料天然气原料气体预热器和第二个小火加热到200～220℃左右，去除灰分的合成气转化为预测变量炉、焦油和其他杂质和毒素，净化后的合成气混合适量的氧气水冷210℃在第一低温变换反应器，总是达到0.37的水/气比的要求，在催化剂的作用下转换反应，同时产生的氢气CO含量将转化为15%（干基）：也会产生氢：CO+H2O=CO2+H2△H（298℃）=-41.4kJ/mol

变换II部分：将第一排产生的3.5MPa蒸汽压入蒸汽发生器，冷却至270℃左右，将低气压由蒸汽压比0.27降至0.27，并在第二排反应器中产生3.5MPa蒸汽压与混合氧水低温至200℃继续转化反应。将转化气中的CO含量降低到5.5%左右（干基），制得氢气。变换第三部分：第二个最低0.23根据水蒸气和氧气的水与合成气混合部分热回收废热和冷却至200℃，第三，在反应器低温转化催化剂的作用下，转化反应将气体的CO含量降低到1.5%（干基），继续产生氢。为了使催化剂更活跃、更稳定、更耐中毒，在使用前必须先将催化剂硫化。管道应力分析过程包括正常运行和硫化。

2 模型建立

以P12207管道为例，管道模型参数如下：工作温度350℃，设计温度370℃，工作压力3.11MPa，设计压力3.42MPa，DN350mm，壁厚19.05mm，腐蚀容限3.0mm，管道材料15crmo。硫化条件设计温度465℃，压力为3.42MPa。在CAESARII中，阀门和法兰被替换为一个刚体，并输入相应的质量。计算了喷嘴的初始位移并带入模型中。

3 管系应力评价

管道应力分析主要为计算管道在压力和其他连续荷载作用下，在高温（低温）工况中由于热胀冷缩对管道自身及其他约束所产生的应力。其目的是检查一次应力和二次应力是否满足管道材质的许用要求，设备管嘴的受力情况以及法兰的泄漏情况。

3.1 一次应力的评价

在压力和连续载荷下，管道要避免发生塑性变形。评估基于弹性理论。在规定的最大温度下，由连续荷载引起的纵向应力的总和，如压力、重力等，不得超过材料的允许应力[σ]h，即：σI≤[σ]h

式中，σI为管系一次应力，MPa;[σ]h为管道元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。GB150.2-2011标准中材料的许用应力为[σ]h=86340kPa。该模型中最大一次应力均为24395kPa，即：σI=28.23%[σ]h，因此，管系的一次应力满足要求。

3.2 二次应力的评价

在热胀气和冷收缩的影响下，保证管道系统自身的二次应力小于规范中所要求的许用应力，防止管道系统在低周疲劳下产生破坏。GB50316中要求，计算出的最大位移应力范围[σ]Ⅱ不得超过允许的位移应力[σ]A：σⅡ≤[σ]A=f（1.25[σ]L+0.25[σ]A）

3.3 力和扭矩评估和法兰检查

防止法兰泄漏的方法有两种：一是降低管道系统对法兰面所施加的力和力矩;二是提高法兰自身压力等级。在分析中，为了防止法兰泄漏，降低了管道法兰处的力和扭矩。通过力和扭矩通过等效压力法对设备管嘴法兰进行评估。即P=Pe+P1式中，Fx、Fy、Fz分别为单个管口上X、Y、Z方向上的作用力，N;Mx、My、Mz分别为单个管口上X、Y、Z方向上的力矩，N·m;FR为单个管口上的合力，N;MR为单个管口上的合力矩，N·m;De为法兰计算当量直径，mm;Pe为法兰当量压力，MPa;P1为管道工作压力，MPa;P与管道系统连接的设备在正常运行和硫化两种工况下的管嘴法兰计算压力均大于工作温度下的法兰计算压力。法兰泄漏主要是由于管道系统推力和扭矩过大造成的，容易引起设备应力和变形过大，影响设备的正常安全运行。

4 高温管道应力优化

①模型优化。管道法兰在正常和硫化条件下会发生泄漏，因此有必要对管道走向进行优化。在管道设计中，改变管道方向、选择合适的补偿器和弹簧支架是提高管道灵活性的主要途径。由于本装置原料转化为易燃易爆气体，一般不适用补偿器。改变管道的走向，增加管道系统柔性，会增加管件的数量。由于转化反应管道为不锈钢和铬钼钢，价格相对较高，不宜改变管线走向。综合考虑，应选择弹簧支撑来支撑管道;②优化后结果评价。一次应力评价：σI=39.60%[σ]h，即管道系统的主应力满足要求。二次应力评定：正常工作状态：[σ]Ⅱ=27.51%[σ]A;硫化条件：[σ]Ⅱ=31.60%[σ]A，管道系统的二次应力满足要求。

综上所述，对于连接反应器的重要管线，应进行严格的管道应力分析计算。通过更改管线走向，支架位置，支架形式等一系列设计的优化，来确保管道系统的一次、二次应力满足要求，设备管嘴载荷满足要求，校验设备管嘴法兰面不泄露，进而保证管道系统布置的合理性，保证设备的正常运行。

参考文献：

[1]阙秀凤.化工废气制氢高温管道应力优化[J].广东化工，2015，42（16）：88-89.

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