催化加氢装置防氢气泄漏和泄漏后的灭火安全设计

吴丽

摘要：催化加氢装置是在高溫、高压和氢气环境下进行加氢反应，操作条件苛刻，是炼油厂中危险性最大的装置之一。氢气一旦从系统逸出，扩散的速度很快，并迅速与空气混合形成蔓延范围很广的爆炸性气体。因此，优化催化加氢装置设计至关重要。本文阐述了催化加氢装置两个重点部位的防泄漏设计以及氢气泄漏后的灭火安全设计，从源头提升催化加氢装置的防泄漏水平。

关键词： 催化加氢装置 氢气 泄漏 安全设计

引言

泄漏是引起化工企业火灾、爆炸、中毒事故的主要原因，要树立"泄漏就是事故"的理念。根据《国家安全监管总局关于加强化工企业泄漏管理的指导意见》的相关规定，优化装置设计，从源头全面提升防泄漏水平。

1催化加氢装置重点部位的防泄漏设计

催化加氢工艺，反应部分都是其核心。反应部分主要集中了装置的高压设备和大型机组、机泵以及连接这些设备的管道、阀门等。他们都处在苛刻的反应条件下运行，是催化加氢过程重点防护的部位。以下探讨高压换热器和高压管道、阀门的设计选型方面的防泄漏设计。

1.1高压换热器防泄漏设计

高压换热器是催化加氢系统压力最高的部位，其结构形式是安全设计的关键之一。目前高压换热器的结构形式有两种：一种是大法兰式，另一种是螺纹锁紧环式。催化加氢装置中高压换热器一般用于反应物与进料、新氢循环氢等高温高压、含不凝气、两侧相变的情况。这些部位氢气温度最高，在氢气中混有同等温度的油气，而且该处压力较高。因为原料波动或中断、循环氢气波动或中断等情况，特别是开工、停工或温度变化的阶段都会导致高压换热器出入口等部位法兰因为温度剧变，法兰与金属软钢密封环垫圈因膨胀系数不同可能导致泄漏。

大法兰式高压换热器结构简单，用于中低压操作，能够很好地保证密封性能，但在高温高压情况下，尤其是在设备大型化后，这种型式换热器的大法兰连接螺栓将受很大的载荷，难以保证管壳程的密封。而且螺栓很大，给紧固和拆卸带来很大的困难。

我国在20世纪80年代初就引进了螺纹锁紧环换热器，其优点是密封可靠，生产维护简便，能及时排除设备运行中的泄漏。相对于大法兰结构有以下优点 ：

1、管箱和壳体是一体的，消除了法兰型换热器在设备法兰处容易泄漏的问题。

2、去掉了大法兰，壳程接管能尽量地靠近管板，避免了法兰型换热器有一段换热管不能有效利用的问题，增大了有效换热面积。

3、管束抽出时不必移动管箱和壳体部件，可以把换热器的接管与管线相焊，减少泄漏点。

4、运行过程中发现管程密封处泄漏或者管壳程间串漏，设备可不停止运行，利用端面的外圈压紧螺栓和内圈压紧螺栓进行紧固，即可消除泄漏，达到密封要求。

在满足工艺流程的前提下，工艺设计让压力较高的介质经过管程侧，让压力较低的介质经过壳程。那么管壳程的压力差对内密封垫片会形成一个自紧力，达到良好的密封效果。这样整个结构就可以简化。

1.2高压管道及管件防泄漏设计

催化加氢装置中的管道很大一部分属于高压管道，设计难度较大，制造安装要求高。加氢处理装置的高压管道大多在临氢环境下工作，主要特点就是高温，高压，临氢，因此，装置中高压管道的设计，首先应考虑安全，可靠，尽量减少可能的泄漏点。

高压管道采用环槽连接面时，垫片采用椭圆形或八角垫圈。由于椭圆形垫圈与法兰密封面是在曲面上线性接触，比八角垫垫圈的面接触密封性能好，因此设计推荐使用椭圆型垫圈。使用椭圆形垫圈时，应考虑垫圈和法兰材质的硬度匹配，垫圈的布氏硬度应比相应法兰低30～40。

加氢装置的高压管道法兰与管子、管件的连接采用对焊连接，对焊法兰由于在法兰与管子、管件等的连接处有一段高颈，此段高颈的厚度通常加厚，它是倾斜的，逐渐过渡到与管子，管件的厚度，法兰受力较好，结构紧凑，不易变形，因此不易泄漏。尽管如此，加氢装置的高压管道还是尽量避免法兰连接，法兰连接虽然可以拆卸下来维修，但是增加可能的泄漏点。

同理，工艺阀门一般尽量选用对焊连接。与此同时，对阀门的制造要求也比较高，阀门必须适合在线维修，不必整体拆卸，而且，要求阀门的结构不受焊接和焊缝热处理的影响。加氢装置高压管道中阀门主要选用进口的Y型截止阀，Y型截止止回阀和轨道球阀等，其中所用数量最多的是Y型截止阀。Y型截止阀，其阀杆和阀座与流体的通道成45度角。这种阀的阀盖与阀体的连接有两种方式：较小的阀门通常采用密封焊连接，以防止阀盖和阀体结合处的泄漏；较大的阀门通常采用压力密封式阀盖，它是利用输送介质的压力得到良好的密封效果，密封压力随着介质压力的增加而增加。

氢气压缩机区域，因为阀门比较多，开停机的次数多，导致管线内氢气波动大，很容易造成氢气泄漏。如果一旦发生泄漏，高温、高压氢气油气混合物会发生自燃，或因高速的气流喷出产生的静电火花而引燃。因此，压缩机区域管线设计时需根据操作状况要选择具有零泄漏、快速关闭特点的特殊结构关断阀门。

球阀的阀瓣为中间有通道的球体，具有快速开闭的特点。美国轨道阀门国际公司生产的轨道球阀是顶部开启，阀杆提升式的固定座关闭阀门。它具有零泄漏、关闭迅速、操作方便、阻力小、密封性能好等特点，尤其适用于催化加氢装置高压氢气场合。当零泄漏和频繁操作时，采用此种阀是一种很好的选择。ORBIT轨道球阀具有以下特点：1、开关无摩擦；2、无高速流体的局部冲刷；3、机械楔形密封；4、单阀座设计；5、金属与非金属的双重密封；6、顶装式设计等。ORBIT轨道球阀有无以复制的品质和优良性能，90%以上的催化加氢装置采用了ORBIT轨道球阀，并应用良好。

2催化加氢装置氢气泄漏后的灭火安全设计

加氢裂化装置的临氢管线中易泄漏的部位，主要是加热炉出入口和反应器出入口等部位法兰。这些部位氢气温度最高，在氢气中混有同等温度的油气，而且该处压力较高。因为原料波动或中断、循环氢气波动或中断、燃料气系统仪表故障，燃料气压力过低，反应进料加热炉流量过低等情况都会导致自动联锁动作，造成加热炉熄火，致使加热炉出入口和反应器出入口等部位法兰因为温度剧变，法兰与金属软钢密封环垫圈因膨胀系数不同而会导致氢气泄漏。

如果一旦发生泄漏，高温、高压氢气-油气混合物会发生自燃，或因高速的气流喷出产生的静电火花而引燃，为了防止氢气泄漏后发生更大的事故，提前设计好防范设施非常必要。

设置保护蒸汽分配站，从蒸汽主管上方引出蒸汽。保护蒸汽分配站安装在距离反应器15米的地面上。加热炉出入口、反应器出入口大法兰设置灭火蒸汽环，灭火蒸汽环外径为法兰外径加200mm，灭火蒸汽环向法兰方向内侧开Ф6孔，孔间距40mm，沿圆周均布，蒸汽环可拆卸。

一旦发现氢气泄漏时，可立即打开蒸汽阀门，低压蒸汽便从环形保护圈的小孔中喷射成雾状，覆盖泄漏处的地方，其作用是可稀释氢气浓度，隔绝空气进入，阻止高压高温氢气自燃着火或静电起火、燃烧。

3 小结

催化加氢过程处在高温、高压下的临氢状态，氢气一旦从系统逸出，扩散的速度很快，并迅速与空气混合形成蔓延范围很广的爆炸性气体。这时只需很低能量的火源（例如明火、静电火花等）就能引起燃烧甚至爆炸。做好氢气的防泄漏设计以及泄漏后的灭火安全设计对催化加氢过程的安全至关重要。

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