催化加氫裝置防氫氣泄漏和泄漏后的滅火安全設計

吳麗

摘要：催化加氫裝置是在高溫、高壓和氫氣環境下進行加氫反應，操作條件苛刻，是煉油廠中危險性最大的裝置之一。氫氣一旦從系統逸出，擴散的速度很快，并迅速與空氣混合形成蔓延范圍很廣的爆炸性氣體。因此，優化催化加氫裝置設計至關重要。本文闡述了催化加氫裝置兩個重點部位的防泄漏設計以及氫氣泄漏后的滅火安全設計，從源頭提升催化加氫裝置的防泄漏水平。

關鍵詞： 催化加氫裝置 氫氣 泄漏 安全設計

引言

泄漏是引起化工企業火災、爆炸、中毒事故的主要原因，要樹立"泄漏就是事故"的理念。根據《國家安全監管總局關于加強化工企業泄漏管理的指導意見》的相關規定，優化裝置設計，從源頭全面提升防泄漏水平。

1催化加氫裝置重點部位的防泄漏設計

催化加氫工藝，反應部分都是其核心。反應部分主要集中了裝置的高壓設備和大型機組、機泵以及連接這些設備的管道、閥門等。他們都處在苛刻的反應條件下運行，是催化加氫過程重點防護的部位。以下探討高壓換熱器和高壓管道、閥門的設計選型方面的防泄漏設計。

1.1高壓換熱器防泄漏設計

高壓換熱器是催化加氫系統壓力最高的部位，其結構形式是安全設計的關鍵之一。目前高壓換熱器的結構形式有兩種：一種是大法蘭式，另一種是螺紋鎖緊環式。催化加氫裝置中高壓換熱器一般用于反應物與進料、新氫循環氫等高溫高壓、含不凝氣、兩側相變的情況。這些部位氫氣溫度最高，在氫氣中混有同等溫度的油氣，而且該處壓力較高。因為原料波動或中斷、循環氫氣波動或中斷等情況，特別是開工、停工或溫度變化的階段都會導致高壓換熱器出入口等部位法蘭因為溫度劇變，法蘭與金屬軟鋼密封環墊圈因膨脹系數不同可能導致泄漏。

大法蘭式高壓換熱器結構簡單，用于中低壓操作，能夠很好地保證密封性能，但在高溫高壓情況下，尤其是在設備大型化后，這種型式換熱器的大法蘭連接螺栓將受很大的載荷，難以保證管殼程的密封。而且螺栓很大，給緊固和拆卸帶來很大的困難。

我國在20世紀80年代初就引進了螺紋鎖緊環換熱器，其優點是密封可靠，生產維護簡便，能及時排除設備運行中的泄漏。相對于大法蘭結構有以下優點 ：

1、管箱和殼體是一體的，消除了法蘭型換熱器在設備法蘭處容易泄漏的問題。

2、去掉了大法蘭，殼程接管能盡量地靠近管板，避免了法蘭型換熱器有一段換熱管不能有效利用的問題，增大了有效換熱面積。

3、管束抽出時不必移動管箱和殼體部件，可以把換熱器的接管與管線相焊，減少泄漏點。

4、運行過程中發現管程密封處泄漏或者管殼程間串漏，設備可不停止運行，利用端面的外圈壓緊螺栓和內圈壓緊螺栓進行緊固，即可消除泄漏，達到密封要求。

在滿足工藝流程的前提下，工藝設計讓壓力較高的介質經過管程側，讓壓力較低的介質經過殼程。那么管殼程的壓力差對內密封墊片會形成一個自緊力，達到良好的密封效果。這樣整個結構就可以簡化。

1.2高壓管道及管件防泄漏設計

催化加氫裝置中的管道很大一部分屬于高壓管道，設計難度較大，制造安裝要求高。加氫處理裝置的高壓管道大多在臨氫環境下工作，主要特點就是高溫，高壓，臨氫，因此，裝置中高壓管道的設計，首先應考慮安全，可靠，盡量減少可能的泄漏點。

高壓管道采用環槽連接面時，墊片采用橢圓形或八角墊圈。由于橢圓形墊圈與法蘭密封面是在曲面上線性接觸，比八角墊墊圈的面接觸密封性能好，因此設計推薦使用橢圓型墊圈。使用橢圓形墊圈時，應考慮墊圈和法蘭材質的硬度匹配，墊圈的布氏硬度應比相應法蘭低30～40。

加氫裝置的高壓管道法蘭與管子、管件的連接采用對焊連接，對焊法蘭由于在法蘭與管子、管件等的連接處有一段高頸，此段高頸的厚度通常加厚，它是傾斜的，逐漸過渡到與管子，管件的厚度，法蘭受力較好，結構緊湊，不易變形，因此不易泄漏。盡管如此，加氫裝置的高壓管道還是盡量避免法蘭連接，法蘭連接雖然可以拆卸下來維修，但是增加可能的泄漏點。

同理，工藝閥門一般盡量選用對焊連接。與此同時，對閥門的制造要求也比較高，閥門必須適合在線維修，不必整體拆卸，而且，要求閥門的結構不受焊接和焊縫熱處理的影響。加氫裝置高壓管道中閥門主要選用進口的Y型截止閥，Y型截止止回閥和軌道球閥等，其中所用數量最多的是Y型截止閥。Y型截止閥，其閥桿和閥座與流體的通道成45度角。這種閥的閥蓋與閥體的連接有兩種方式：較小的閥門通常采用密封焊連接，以防止閥蓋和閥體結合處的泄漏；較大的閥門通常采用壓力密封式閥蓋，它是利用輸送介質的壓力得到良好的密封效果，密封壓力隨著介質壓力的增加而增加。

氫氣壓縮機區域，因為閥門比較多，開停機的次數多，導致管線內氫氣波動大，很容易造成氫氣泄漏。如果一旦發生泄漏，高溫、高壓氫氣油氣混合物會發生自燃，或因高速的氣流噴出產生的靜電火花而引燃。因此，壓縮機區域管線設計時需根據操作狀況要選擇具有零泄漏、快速關閉特點的特殊結構關斷閥門。

球閥的閥瓣為中間有通道的球體，具有快速開閉的特點。美國軌道閥門國際公司生產的軌道球閥是頂部開啟，閥桿提升式的固定座關閉閥門。它具有零泄漏、關閉迅速、操作方便、阻力小、密封性能好等特點，尤其適用于催化加氫裝置高壓氫氣場合。當零泄漏和頻繁操作時，采用此種閥是一種很好的選擇。ORBIT軌道球閥具有以下特點：1、開關無摩擦；2、無高速流體的局部沖刷；3、機械楔形密封；4、單閥座設計；5、金屬與非金屬的雙重密封；6、頂裝式設計等。ORBIT軌道球閥有無以復制的品質和優良性能，90%以上的催化加氫裝置采用了ORBIT軌道球閥，并應用良好。

2催化加氫裝置氫氣泄漏后的滅火安全設計

加氫裂化裝置的臨氫管線中易泄漏的部位，主要是加熱爐出入口和反應器出入口等部位法蘭。這些部位氫氣溫度最高，在氫氣中混有同等溫度的油氣，而且該處壓力較高。因為原料波動或中斷、循環氫氣波動或中斷、燃料氣系統儀表故障，燃料氣壓力過低，反應進料加熱爐流量過低等情況都會導致自動聯鎖動作，造成加熱爐熄火，致使加熱爐出入口和反應器出入口等部位法蘭因為溫度劇變，法蘭與金屬軟鋼密封環墊圈因膨脹系數不同而會導致氫氣泄漏。

如果一旦發生泄漏，高溫、高壓氫氣-油氣混合物會發生自燃，或因高速的氣流噴出產生的靜電火花而引燃，為了防止氫氣泄漏后發生更大的事故，提前設計好防范設施非常必要。

設置保護蒸汽分配站，從蒸汽主管上方引出蒸汽。保護蒸汽分配站安裝在距離反應器15米的地面上。加熱爐出入口、反應器出入口大法蘭設置滅火蒸汽環，滅火蒸汽環外徑為法蘭外徑加200mm，滅火蒸汽環向法蘭方向內側開Ф6孔，孔間距40mm，沿圓周均布，蒸汽環可拆卸。

一旦發現氫氣泄漏時，可立即打開蒸汽閥門，低壓蒸汽便從環形保護圈的小孔中噴射成霧狀，覆蓋泄漏處的地方，其作用是可稀釋氫氣濃度，隔絕空氣進入，阻止高壓高溫氫氣自燃著火或靜電起火、燃燒。

3 小結

催化加氫過程處在高溫、高壓下的臨氫狀態，氫氣一旦從系統逸出，擴散的速度很快，并迅速與空氣混合形成蔓延范圍很廣的爆炸性氣體。這時只需很低能量的火源（例如明火、靜電火花等）就能引起燃燒甚至爆炸。做好氫氣的防泄漏設計以及泄漏后的滅火安全設計對催化加氫過程的安全至關重要。

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