范勇波

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525000）

石油化工生產(chǎn)水平是衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿Φ闹匾笜?biāo)，近些年來我國在鉆完井工程、石油化工生產(chǎn)、石油化工精加工等方面都取得了顯著的進(jìn)展，尤其是精煉油工藝、芳烴生產(chǎn)工藝迅速鋪開。這既是我國工程技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，也是設(shè)備發(fā)展復(fù)雜化的一個(gè)結(jié)果，而加氫反應(yīng)器作為石油冶煉石油化工生產(chǎn)當(dāng)中最為重要的一個(gè)設(shè)備，規(guī)模越來越大，投入實(shí)際生產(chǎn)之后，生產(chǎn)也越來越復(fù)雜。

1 加氫反應(yīng)器冷氫進(jìn)口應(yīng)力分析的價(jià)值

加氫反應(yīng)器 （如圖1）的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，通常溫度和壓力均較高，且在臨清的狀況下使用更會(huì)造成加氫反應(yīng)器的老化，尤其是一些關(guān)鍵的部件，如果不進(jìn)行應(yīng)力分析，造成工作條件長期惡化，就可能造成冷氫口部分存在較大的溫差，影響應(yīng)力的分布。①采用應(yīng)力分析方法，可以對(duì)加氫反應(yīng)器面臨的高壓、高溫、富氫工作環(huán)境進(jìn)行具體的參數(shù)分析，基于壓力容器的計(jì)算規(guī)則來保障整個(gè)加氫反應(yīng)器的進(jìn)口可以處于一個(gè)均衡的壓力和溫度狀態(tài)。

圖1 加氫反應(yīng)器構(gòu)件圖

②提高壓力容器承受的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度，降低材料不合理應(yīng)用造成的材料老化問題，提高設(shè)備整體使用率，尤其是在高溫高壓環(huán)境之內(nèi)，通過合理設(shè)計(jì)減輕材料占比，改善結(jié)構(gòu)等級(jí)，降低制造成本。

③進(jìn)行應(yīng)力分析還可以提高整個(gè)區(qū)域計(jì)算的連續(xù)程度。按照分類計(jì)算的結(jié)果，對(duì)于不同材料的配比情況和結(jié)合情況進(jìn)行全面分析，從而改善加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)笨重的問題，降低其自身質(zhì)量，結(jié)合有限元分析模型。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)區(qū)域應(yīng)力分析結(jié)果提高運(yùn)行安全性［1］。

2 加氫反應(yīng)器冷氫口有限元應(yīng)力分析路徑

本文采用案例分析方法，主要以某石化工業(yè)企業(yè)應(yīng)用的熱壁加氫反應(yīng)器作為案例進(jìn)行探討。該加氫反應(yīng)器主要有冷氫接管、法蘭同體和冷氫管等幾個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成，設(shè)備內(nèi)徑為3200μm，堆焊層占厚度約5%，法蘭材質(zhì)為鋼卷板，筒壁厚度3100μm，斷介型號(hào)為270mol。冷氫管材料型號(hào)為s3b5430，保溫材料為復(fù)合硅酸鎂鋁材料，厚度為135mm。在正常運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，該設(shè)備承受的壓力為10.35MPa，根據(jù)該設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力分析，主要路徑為：

2.1 加氫反應(yīng)器冷氫進(jìn)口應(yīng)力分析模型構(gòu)建

2.1.1 幾何結(jié)構(gòu)分布

按照加氫反應(yīng)器的對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)分布，對(duì)不同部分承受的荷載力進(jìn)行對(duì)稱性探討。首先，按照材料的不同類別建立三維實(shí)體模型，從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的分析。主要的三維實(shí)體模型分為三大部分，第一部分為主體結(jié)構(gòu)，第二部分為冷氫口尺寸結(jié)構(gòu)，第三部分為反應(yīng)器主要性能參數(shù)。其次，案例中加氫反應(yīng)器的工作壓力為10.2MPa，工作溫度為400℃，設(shè)計(jì)壓力為10.71MPa，設(shè)計(jì)溫度為425℃，容器外最低環(huán)境溫度為零下20℃，計(jì)算壓力為10.71MPa。荷載系數(shù)k等于1，接管法蘭材料為12CrMo1。主體材料與接管法蘭材料型號(hào)相同，焊接接頭系數(shù)為1，腐蝕裕量為零，冷氫進(jìn)料口溫度為56℃，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.082mm。最后，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型探討，主要是在高精度分析的基礎(chǔ)之上來對(duì)單元數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。通過提高原有計(jì)算速度的方式，減少模型不穩(wěn)定性對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響。在邊緣影響力的基礎(chǔ)之上，截取3到5mm的長度，來對(duì)應(yīng)力的衰減范圍進(jìn)行最終確定。

2.1.2 溫度應(yīng)力計(jì)算

在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，冷氫進(jìn)口屬于整個(gè)氫氣的入體部分，因而相對(duì)于容器外最低溫度-20℃，冷氫進(jìn)料口的溫度為56℃，低于正常的工作環(huán)境溫度，這種溫差的巨大差值會(huì)引起熱應(yīng)力的不良問題。例如，工作溫度在400℃的情況之下，冷氫口正常運(yùn)行溫度的溫度差值將在350℃左右。只有保證模型截取足夠的長度，才能夠?qū)釕?yīng)力計(jì)算結(jié)果起到一個(gè)良好的數(shù)據(jù)支撐作用。還需要構(gòu)建熱傳導(dǎo)的邊界模型，根據(jù)加氫反應(yīng)器的具體熱流體量來對(duì)傳導(dǎo)方式進(jìn)行全面分析與管理，在熱輻射計(jì)算的接軌之下，對(duì)不同點(diǎn)位上傳的流傳熱數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。按照熱輻射層、熱傳導(dǎo)層兩項(xiàng)結(jié)構(gòu)，提高保溫層的整體保溫效果，降低冷氫進(jìn)口處與外界之間的熱力交換。經(jīng)過調(diào)整設(shè)計(jì)之后，流傳熱在整體保溫層當(dāng)中所占比重下降20%～30%，熱輻射降低10%～15%，流傳熱降低5%～15%，形成了多個(gè)傳熱邊界效應(yīng)，可以對(duì)后續(xù)的應(yīng)力分析形成一個(gè)良好的數(shù)據(jù)支撐，確定每個(gè)傳熱邊界的條件，提高計(jì)算的精度。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

對(duì)加氫入口的應(yīng)力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，可以更加精準(zhǔn)的劃分每個(gè)傳熱邊界的模型。采取因素分析與因素探討方式，對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生影響的相關(guān)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化探討。采取六邊體應(yīng)力計(jì)算方法，獲得比較精準(zhǔn)的分析結(jié)果。例如，本案例當(dāng)中所選取的加氫反應(yīng)器，五個(gè)熱傳導(dǎo)邊界主要為保溫層邊界、絕熱層邊界以及上部邊界，這些網(wǎng)絡(luò)單元經(jīng)過有限元?jiǎng)澐种螅梢酝ㄟ^sol id90計(jì)算方法劃分出五個(gè)單元，獲得5000余個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。并配合有限元計(jì)算方法，對(duì)于冷氫加熱管和保溫層獲得的90%的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采取篩選方式，從而提高有限元網(wǎng)絡(luò)分析模型覆蓋的精準(zhǔn)程度。在原有的荷載約束條件基礎(chǔ)之上，對(duì)模型載荷問題與及邊界的劃分問題進(jìn)行有限元探討，在模型構(gòu)建基礎(chǔ)之上，采用正常工作量和特殊工作量對(duì)極端情況進(jìn)行分析。例如，本案例當(dāng)中所選擇的冷氫口結(jié)構(gòu)，在56℃的工作范圍之內(nèi)傳熱膜系數(shù)為正無窮。而當(dāng)溫度下降70℃之后傳熱系數(shù)為12×10-6，當(dāng)溫度上升400℃時(shí)，傳熱系數(shù)為正無窮恢復(fù)原有的工作狀態(tài)，因而在應(yīng)力計(jì)算當(dāng)中要考慮不同的溫度，對(duì)于有限元分析網(wǎng)絡(luò)模型造成的影響，提高計(jì)算精準(zhǔn)程度［2］。

根據(jù)熱輻射效應(yīng)采取厚度分析方法確定波爾茲曼常數(shù)。相對(duì)封閉的環(huán)境內(nèi)，熱傳導(dǎo)的效果可以忽略不計(jì)，因而根據(jù)不同邊界條件確定熱環(huán)境之后，對(duì)加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)場載荷問題進(jìn)行針對(duì)性分析，在原有的模量計(jì)算基礎(chǔ)之上，分析接管端平衡面法蘭外徑容器內(nèi)壁計(jì)算壓力的具體數(shù)值，從而提高對(duì)于應(yīng)力加等和效應(yīng)分析的統(tǒng)一性結(jié)果按照結(jié)構(gòu)廠的約束條件。進(jìn)行向上向下移位，從而對(duì)橫截面加環(huán)的具體數(shù)值采取結(jié)構(gòu)性分析。

2.3 應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

按照上述分析流程，可以確定應(yīng)力結(jié)構(gòu)溫度梯度，并且根據(jù)溫度梯度的具體差值探討每一個(gè)層級(jí)產(chǎn)生的熱力類型，從而進(jìn)行現(xiàn)場求解。第一步，需要對(duì)不同的溫度類型進(jìn)行單元轉(zhuǎn)換，根據(jù)計(jì)算模型將轉(zhuǎn)換后的單元，按照溫度載荷條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)性導(dǎo)入。第二步，計(jì)算不同壓力狀態(tài)下兩者結(jié)果的一致性程度，根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度分析結(jié)果，對(duì)冷氫口結(jié)構(gòu)存在的內(nèi)壓載荷、內(nèi)壓和溫差載荷、一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度類型，進(jìn)行全面分析與判斷，從而發(fā)現(xiàn)局部薄膜效應(yīng)和彎曲應(yīng)力峰值效應(yīng)。在整合計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)之上，獲得反應(yīng)力的存在時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從而發(fā)現(xiàn)由于冷氫氣通入造成的具體溫差應(yīng)力。按照分類計(jì)算的結(jié)果，對(duì)不同材料的配比情況和結(jié)合情況進(jìn)行全面分析，從而改善加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)笨重的問題，降低其自身質(zhì)量；結(jié)合有限元分析模型、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)區(qū)域應(yīng)力分析結(jié)果提高運(yùn)行安全性［3］。

3 結(jié)論

綜上所述，在應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果之下，可以對(duì)模型的溫度分布場進(jìn)行差異化看待，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析方法建設(shè)有效地分析原型，結(jié)合工作載荷計(jì)算結(jié)果選擇合適的工作壓力。從本文的分析可知，研究加氫反應(yīng)器冷氫進(jìn)口處應(yīng)力分析，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整溫度和壓力狀態(tài)，設(shè)定良好的導(dǎo)熱系數(shù)，從而調(diào)節(jié)薄膜應(yīng)力分布狀態(tài)，促進(jìn)設(shè)備運(yùn)行安全。