(中國石油工程建設(shè)公司 新疆設(shè)計分公司， 新疆 烏魯木齊 830019)

加氫反應(yīng)器內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)力計算

陳默

(中國石油工程建設(shè)公司 新疆設(shè)計分公司， 新疆 烏魯木齊 830019)

介紹了加氫反應(yīng)器內(nèi)件液體分配盤、填料格柵及催化劑的支撐結(jié)構(gòu)形式。液體分配盤整體重量及支撐結(jié)構(gòu)受力均較小，選用支持圈焊接在堆焊過渡層的結(jié)構(gòu)形式，并采用工程簡化計算方法進行應(yīng)力校核。填料格柵和催化劑支撐重量及支撐結(jié)構(gòu)上表面轉(zhuǎn)角處拉應(yīng)力均很大，支撐結(jié)構(gòu)材料易產(chǎn)生氫脆，采用堆焊凸臺作為填料格柵及催化劑支撐結(jié)構(gòu)形式，并用有限元方法進行應(yīng)力分析和校核。對比了常規(guī)計算方法和有限元分析法的優(yōu)缺點，可為加氫反應(yīng)器內(nèi)件支撐方式和計算方法選擇提供參考。

加氫反應(yīng)器； 支撐結(jié)構(gòu)； 應(yīng)力計算； 有限元分析

隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，加氫技術(shù)應(yīng)用得越來越廣泛。目前，在各種加氫裝置中，固定床加氫反應(yīng)器依然占據(jù)主導(dǎo)地位。對于雙床層或者三床層的厚壁加氫反應(yīng)器，內(nèi)部一般都設(shè)置有各種支撐結(jié)構(gòu)來支撐反應(yīng)器內(nèi)件以及催化劑等。各種支撐結(jié)構(gòu)都是直接與反應(yīng)器本體相焊，屬于結(jié)構(gòu)突變區(qū)域，必然存在較大的應(yīng)力集中。在高溫、高壓的操作條件下，同時受所支撐構(gòu)件的重力載荷，極易在此部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和裂紋等損傷，影響加氫反應(yīng)器的正常運行。

某加氫項目中的雙床層固定床加氫反應(yīng)器直徑?1 400 mm，長度14 120 mm，設(shè)計壓力9.01 MPa，設(shè)計溫度390 ℃，氫分壓7.2 MPa。該反應(yīng)器屬于高溫、高壓臨氫設(shè)備，操作介質(zhì)中氫及硫化氫含量都比較高，設(shè)計采用板焊加內(nèi)部雙層堆焊結(jié)構(gòu)。一般反應(yīng)器內(nèi)部雙層堆焊E309L+E347或E309L+E316，分別針對高溫硫腐蝕和環(huán)烷酸腐蝕[1]。結(jié)合本加氫反應(yīng)器的實際工況，最終確定反應(yīng)器的母材選用12Cr2Mo1R板材，內(nèi)部雙層堆焊E309L+E347，內(nèi)件材料則采用耐腐蝕性能比較好的06Cr18Ni11Ti。文中對反應(yīng)器支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)力計算進行簡要介紹。

1 液體分配盤支撐

1.1

支撐結(jié)構(gòu)

液體分配盤、再分配盤等內(nèi)件是保證操作介質(zhì)進入反應(yīng)器后，能夠均勻有效地分布在整個內(nèi)徑截面積上的分配裝置。由于本反應(yīng)器采用分配管結(jié)構(gòu)，整個分配盤的整體重量較小，支撐結(jié)構(gòu)受力也比較小，因此選用支持圈結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的支持圈結(jié)構(gòu)有兩種，見圖1。

圖1 傳統(tǒng)支持圈結(jié)構(gòu)

支持圈為06Cr18Ni11Ti鋼板直接加工而成，若采用圖1a結(jié)構(gòu)，在母材表面堆焊E309L+E347后，直接將支持圈焊接在堆焊表層E347上，支持圈需開雙面坡口，采用雙面全焊透結(jié)構(gòu)。若采用圖1b結(jié)構(gòu)，母材表面堆焊E309L+E347時，在支持圈焊接位置不堆焊表層E347，將支持圈焊接在過渡層E309L上，然后再堆焊表層E347，上表面轉(zhuǎn)角處的表層E347要在最終焊后熱處理后再堆焊。

對于操作條件不苛刻，即反應(yīng)溫度、壓力不高，氫分壓較小，硫含量很低且支持圈所支撐的重量不大時，可以選擇圖1a結(jié)構(gòu)的支持圈焊接方式，該方式制造、加工簡單，省時省力。但對于大型反應(yīng)器，操作條件苛刻，支撐重量較大，反應(yīng)器制造完成后進行最終焊后熱處理時推薦的焊后熱處理規(guī)范為690 ℃×8 h，而最大焊后熱處理規(guī)范可以達到685～705 ℃×32 h[2]，該溫度區(qū)間正好處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度范圍內(nèi)[3]。支持圈上表面轉(zhuǎn)角為受拉應(yīng)力最大的部位，在經(jīng)歷敏化溫度范圍的熱處理后，處于腐蝕性介質(zhì)中的支持圈上表面轉(zhuǎn)角處極易發(fā)生晶間腐蝕，從而產(chǎn)生微裂紋，使焊縫金屬的強度、韌性等降低。

結(jié)合本反應(yīng)器的操作情況及實際制造情況，最終選擇圖1b支持圈結(jié)構(gòu)。

1.2支持圈應(yīng)力校核

將支持圈簡化為一端固定的懸臂梁力學(xué)模型進行近似工程簡化計算[4]，簡化計算模型見圖2。

圖2 支持圈簡化計算模型

將總載荷F簡化為作用在懸臂梁上表面的均布載荷FJ：

(1)

式中，F(xiàn)為總載荷，N；a為支持圈寬度，mm；q為壓降載荷，N；mF為分配盤及支持件質(zhì)量，mC為分配盤持液質(zhì)量，kg。

支持圈截面的最大彎曲應(yīng)力σb為[5]：

(2)

其中

式中，W為支持圈截面的抗彎截面模量，mm3；b為支持圈厚度，D為筒體內(nèi)直徑，mm。

支持圈截面的切應(yīng)力為：

(3)

支持圈的綜合應(yīng)力為[6]：

(4)

應(yīng)力校核條件為σ≤[σ]t[7]，[σ]t為設(shè)計溫度下支持圈材料的許用應(yīng)力。

將反應(yīng)器各參數(shù)F=34 920 N、a=50 mm、b=6 mm、D=1 400 mm代入式(1)～式(4)中，得σb=33.1 MPa、τ=1.32 MPa、σ=33.2 MPa<[σ]t=108.6 MPa，支持圈應(yīng)力校核通過。

2 填料格柵及催化劑支撐

2.1支撐結(jié)構(gòu)

如果反應(yīng)器內(nèi)部承載較輕的內(nèi)件，可以采用支持圈結(jié)構(gòu)支撐。但對于填料格柵和催化劑支撐來說，支撐重量大，支撐結(jié)構(gòu)上表面轉(zhuǎn)角處的拉應(yīng)力也會很大。支撐結(jié)構(gòu)在臨氫操作環(huán)境中長期承重，且處于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，材料容易產(chǎn)生氫脆[8]。設(shè)計時應(yīng)盡量減少該部位的應(yīng)力集中，保持支撐件金屬有較好的韌性。常見的填料格柵及催化劑支撐為堆焊凸臺形式，見圖3。

圖3 填料格柵及催化劑支撐凸臺結(jié)構(gòu)

由圖3可以看出，支撐凸臺本身是用與母材相匹配焊材在鋼板上直接堆焊出來的，凸臺外部堆焊E309L+E347。與支持圈結(jié)構(gòu)一樣，凸臺結(jié)構(gòu)上表面轉(zhuǎn)角處的表層E347需在最終焊后熱處理之后再堆焊，也是為了避開奧氏體不銹鋼的敏化溫度，防止晶間腐蝕。凸臺外部的倒角隨堆焊層厚度變化，由外至內(nèi)逐漸減小，保證整個凸臺上表面的平整。凸臺與內(nèi)壁連接處為整個凸臺受拉應(yīng)力最大的部位，必須減小此處的應(yīng)力集中，保證較小的應(yīng)變幅度，可以采用加大轉(zhuǎn)角半徑的方法加以解決。圖3中上表面轉(zhuǎn)角處內(nèi)部堆焊凸臺和外部堆焊層的轉(zhuǎn)角半徑均為10 mm，就是為了保證較大的轉(zhuǎn)角半徑，以減小應(yīng)力集中。

此外，在滿足強度尺寸的前提下，凸臺不宜設(shè)計得過厚，因為堆焊后焊縫金屬的強度高于母材的強度，但熱影響區(qū)的韌性低于母材及焊縫金屬的韌性。反應(yīng)器經(jīng)中間熱處理后，如果堆焊部位太大，則釋放的殘余應(yīng)力有可能大于母材熱影響區(qū)的抗拉強度，從而在堆焊部位根部產(chǎn)生裂紋[9]。

2.2支撐凸臺應(yīng)力分析[10]

本反應(yīng)器的催化劑床層單床層壓降達0.25 MPa，且支撐的格柵和催化劑重量也較大，因此，采用ANSYS 15.0 workbench軟件進行支撐凸臺應(yīng)力分析校核。

2.2.1建立模型

首先定義材料屬性，即設(shè)計溫度下的鋼材彈性模量、泊松比等，然后根據(jù)凸臺尺寸和反應(yīng)器整體尺寸建立力學(xué)模型[11]。

圖4 支撐凸臺有限元模型

2.2.2施加邊界條件

模型對稱面施加無摩擦約束，模型下端面建立局部圓柱坐標(biāo)系，約束下端面所有節(jié)點的軸向位移和周向位移，徑向位移不約束。筒體內(nèi)壁及凸臺外表面施加內(nèi)壓載荷，筒體上端面施加等效拉應(yīng)力，凸臺上表面施加所需承載的所有載荷。凸臺有限元模型邊界條件加載圖見圖5。

圖5 凸臺有限元模型邊界條件加載圖

凸臺需承載的所有載荷FZ為：

FZ=Fy+(m1+m2+m3+m4)g

(5)

式中，F(xiàn)y為壓降載荷，N；m1為格柵等支撐件質(zhì)量，m2為催化劑堆質(zhì)量，m3為瓷球堆質(zhì)量，m4為催化

劑持液質(zhì)量，kg。

2.2.3應(yīng)力求解及分析

通過有限元求解得到的凸臺模型應(yīng)力強度分布云圖見圖6。

圖6 凸臺模型應(yīng)力強度分布云圖

由圖6可見，整個凸臺支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度最大的點位于凸臺與反應(yīng)器內(nèi)壁連接轉(zhuǎn)角處，上轉(zhuǎn)角處拉應(yīng)力最大，下轉(zhuǎn)角處壓應(yīng)力最大。

通過應(yīng)力最大節(jié)點，沿橫穿壁厚的最短距離設(shè)定3條路徑(圖7)，分別分析每條路徑上的等效線性化應(yīng)力[13]。

圖7 凸臺有限元模型分析路徑

由圖7可見，分析路徑1是通過應(yīng)力最大節(jié)點，橫穿筒體壁厚的最短路徑；分析路徑2是通過應(yīng)力最大節(jié)點，縱穿凸臺厚度的最短路徑；分析路徑3是通過凸臺上表面拉應(yīng)力最大節(jié)點與凸臺下表面壓應(yīng)力最大節(jié)點的最短路徑。3條分析路徑的應(yīng)力評定結(jié)果見表1，表中PL為一次局部薄膜應(yīng)力，Pb為一次彎曲應(yīng)力，Q為二次應(yīng)力，Smt=160.8 MPa[14]。

表1 凸臺有限元模型分析路徑應(yīng)力分類及評定結(jié)果

由表1分析結(jié)果可以看出，凸臺厚度30 mm可以滿足本反應(yīng)器的設(shè)計及操作要求。在實際設(shè)計過程中，填料支撐格柵的尺寸、凸臺的寬度基本可以確定，需要設(shè)計的主要尺寸為凸臺的厚度。在設(shè)計凸臺厚度時，可以根據(jù)實際承載情況多設(shè)定幾組厚度值，經(jīng)應(yīng)力分析后，綜合考慮材料、強度、加工制造量等因素，最終選擇合適的凸臺厚度。

3 結(jié)語

加氫反應(yīng)器屬于高溫、高壓臨氫設(shè)備，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)是設(shè)計中的重要部分。在應(yīng)力計算時，常規(guī)的工程簡化計算方法結(jié)果偏保守，適合工程應(yīng)用時簡單的應(yīng)力校核。有限元計算方法計算結(jié)果精確，能夠針對局部的特定結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，更加節(jié)省材料，方便加工制造，但計算工作量較大。綜合考慮該反應(yīng)器的操作工況、承載大小、腐蝕情況和加工制造等因素，對液體分配盤支撐、填料格柵及催化劑支撐選用了不同的支撐方式和應(yīng)力計算方法，提高了設(shè)計效率。

該反應(yīng)器經(jīng)過6個月的開工試運行后，進行冬歇期的停工檢查。目視檢查支持圈及堆焊凸臺外表面光滑、平整，磁粉檢測及滲透檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷[16，17]，說明該反應(yīng)器內(nèi)件支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，應(yīng)力計算方法安全可靠。

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(NB/T 47013.4—2015，Nondestructive Testing of Pressure Equipments—Part 4：Magnetic Particle Testing[S].)

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(NB/T 47013.5—2015，Nondestructive Testing of Pressure Equipments—Part 5：Penetrant Testing[S].)

(張編)

DesignandStressCalculationofInternalSupportStructureforHydrogenationReactor

CHENMo

(Xinjiang Design Branch of China Petroleum Engineering & Construction CORP，Urumqi 830019，China)

The support structure of liquid distributor plate，filler grille and catalyst in the hydrogenation reactor are introduced. The overall weight of the liquid distribution plate and the force of supporting structure are all small. The structure of support ring welding on the surfacing transition layer is selected and the simplified calculation method is used to check the stress. The weight of filler grille and catalyst as well as the tensile stress at the top corner of support structure are very large，support structural materials prone to hydrogen embrittlement，the surfacing boss is used as the filler grille and catalyst support structure， and the finite element method is used for stress analysis and verification. The advantages and disadvantages of the conventional calculation method and the finite element analysis method are compared；it provides reference for the support mode and calculation method of hydrogenation reactor internals.

hydrogenation reactor； support structure； stress calculation； finite element method analysis

TQ051.3； TE966

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.006

1000-7466(2017)03-0026-05①

2016-12-10

陳 默(1985-)，男(回族)，新疆烏魯木齊人，工程師，學(xué)士，一直從事過程設(shè)備設(shè)計工作。