范強強*

（安徽實華工程技術(shù)股份有限公司）

0 前言

隨著節(jié)能減排、環(huán)境保護的要求日益嚴(yán)格，各行業(yè)對油品質(zhì)量的要求也不斷提高，給石化行業(yè)的工藝和設(shè)備帶來了挑戰(zhàn)。加氫精制工藝可以脫除原油中的硫、氧、氮和金屬等雜質(zhì)，是目前改善和提高石油產(chǎn)品質(zhì)量的主要工藝[1]。加氫精制反應(yīng)器是加氫裝置中的核心設(shè)備[2]，其作用是為原油和氫氣在一定的溫度、壓力以及催化劑作用下進行反應(yīng)提供場所。加氫精制反應(yīng)器造價昂貴，且長期處于高溫、高壓、臨氫和硫化氫腐蝕的特殊介質(zhì)環(huán)境中，其運行狀態(tài)關(guān)系到整個裝置的生產(chǎn)安全，因此，加氫反應(yīng)器設(shè)計時要充分考慮其特殊性，在選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造要求等方面，嚴(yán)格遵照安全生產(chǎn)要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

加氫精制反應(yīng)器的工作原理是將原料和氫氣混合后從塔頂送入反應(yīng)器，在高溫、高壓條件下，經(jīng)催化劑進行反應(yīng)。反應(yīng)器中部通入冷氫，防止反應(yīng)物料過熱。加氫精制反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)可見圖1，其主要零部件包括筒體、封頭、接管法蘭和裙座。加氫反應(yīng)器的常規(guī)設(shè)計流程可見圖2。根據(jù)工藝專業(yè)提供的設(shè)計條件，確定設(shè)備的設(shè)計參數(shù)，選擇合適的材料，對零部件進行強度計算，確定結(jié)構(gòu)尺寸，然后對塔器整體進行強度校核，給出詳盡而嚴(yán)密的技術(shù)說明和制造、檢驗技術(shù)要求。

圖1 加氫反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)

圖2 加氫反應(yīng)器的常規(guī)設(shè)計流程

1.1 設(shè)計參數(shù)

以某臺反應(yīng)器為例，其主要設(shè)計參數(shù)可見表1。

表1 主要設(shè)計參數(shù)

1.2 材料選擇

高溫、高壓條件下的加氫反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)形式為鍛焊結(jié)構(gòu)。選擇材料時主要考慮因素包括耐高溫氫腐蝕和硫化氫腐蝕。根據(jù)API RP941—2016 標(biāo)準(zhǔn)中的納爾遜曲線[3]，Cr-Mo 鋼具有優(yōu)秀的抗氫腐蝕性能。12Cr2Mo1 是強度最高的Cr-Mo 鋼，其在高溫下時強度有所降低。12Cr2Mo1V 材料是在12Cr2Mo1材料的基礎(chǔ)上添加V 元素后的改進材料，可顯著提高其耐高溫性能，同時減小反應(yīng)器的質(zhì)量。當(dāng)溫度超過260 ℃時，為了防止材料發(fā)生H2S 腐蝕，還需要在內(nèi)壁堆焊耐腐蝕、抗裂性能好的奧氏體不銹鋼（E309L+E347）?？紤]到腐蝕裕量，堆焊層厚度選取7.5 mm，其中過渡層厚度不小于3.5 mm。綜上，加氫反應(yīng)器的筒體、封頭和接管法蘭均采用12Cr2Mo1V結(jié)合堆焊不銹鋼的材料形式。

1.3 筒體和封頭的結(jié)構(gòu)形式

加氫反應(yīng)器的筒體采用鍛焊結(jié)構(gòu)，表面僅有環(huán)焊縫，而沒有縱焊縫，降低了焊縫失效的風(fēng)險，提高了筒體抗周向應(yīng)力的能力。

在相同內(nèi)壓下，相對于其他封頭，球形封頭所受的應(yīng)力最小，約為圓筒軸向應(yīng)力的一半，且厚度最薄，因此，高壓容器均采用球形封頭。

不等厚度的筒體和封頭連接筒體不可以削薄，應(yīng)采用局部加厚封頭的結(jié)構(gòu)形式，使連接處圓滑。

1.4 接管法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于開孔補強的需要，該設(shè)備采用整體接管法蘭，即將補強的厚壁管和法蘭作為一個整體，用整鍛件來制造，其結(jié)構(gòu)形式可見圖3。當(dāng)補強厚壁管外徑和法蘭大端相同時選用無錐段整體接管法蘭，該法蘭常用于大開孔結(jié)構(gòu)中，比如反應(yīng)器的頂部人孔大法蘭；當(dāng)補強厚壁管外徑比法蘭大端大的多時選用帶錐段整體接管法蘭，反應(yīng)器的一般接管法蘭多采用該結(jié)構(gòu)形式。

圖3 整體接管法蘭的兩種結(jié)構(gòu)形式

整體法蘭設(shè)計時采用試算法，其結(jié)構(gòu)尺寸可以參考相同公稱直徑的標(biāo)準(zhǔn)法蘭尺寸，修改尺寸后進行計算校核。設(shè)計時應(yīng)保證法蘭大端、螺栓中心圓和法蘭外徑等結(jié)構(gòu)尺寸協(xié)調(diào)，并滿足強度和螺栓安裝的操作空間要求。其次，法蘭內(nèi)徑應(yīng)盡量和管道專業(yè)配對法蘭的內(nèi)徑一致，降低沖刷腐蝕幾率且減小介質(zhì)流動阻力。法蘭主要結(jié)構(gòu)尺寸包括法蘭盤厚度δf，錐頸大端厚度δ1，小端厚度和錐段高度h。各尺寸參數(shù)對法蘭三項應(yīng)力的影響趨勢是不同的，如圖4 a）所示，增加錐頸尺寸（δ1，h）可降低軸向應(yīng)力σH和周向應(yīng)力σT；圖4 b）所示，增加法蘭盤厚度（δf）可明顯降低徑向應(yīng)力σR[4]。通過調(diào)整合適的尺寸參數(shù)，可以更有效降低相應(yīng)的應(yīng)力，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。需要注意的是，非標(biāo)法蘭的計算壓力應(yīng)考慮管道載荷和工藝系統(tǒng)水壓試驗的影響。管道載荷應(yīng)在局部應(yīng)力核算時綜合考慮。當(dāng)反應(yīng)器和工藝管道統(tǒng)進行水壓試驗時，由于管道系統(tǒng)水壓試驗的壓力比設(shè)備高，因此需要按系統(tǒng)試驗壓力反推設(shè)備的設(shè)計壓力或最高允許工作壓力。

圖4 法蘭尺寸參數(shù)對三向應(yīng)力的影響

加氫反應(yīng)器長期處于高溫、高壓、易燃、易爆，且具有腐蝕性的介質(zhì)環(huán)境中，其對法蘭密封的密封性能要求很高。環(huán)連接面的槽錐面與墊片之間為線接觸或窄面接觸，密封可靠性高，因此，加氫反應(yīng)器的法蘭密封面均采用環(huán)連接面形式。法蘭密封面為梯形槽結(jié)構(gòu)，為防止母材被介質(zhì)腐蝕，在與介質(zhì)接觸的法蘭內(nèi)壁和密封面上需堆焊不銹鋼耐蝕層，如圖5 所示[2]。需要注意的是，法蘭密封面的表層堆焊及加工應(yīng)在最終熱處理后進行。

1.5 裙座連接段的設(shè)計

圖5 法蘭密封面結(jié)構(gòu)

加氫反應(yīng)器的裙座筒體和下封頭連接處局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，易導(dǎo)致應(yīng)力集中。為減小該處所受應(yīng)力，裙座筒體和封頭連接處采用h型整體鍛件，鍛件上部連接筒體，下部連接封頭和裙座殼，其結(jié)構(gòu)形式如圖 6 所示。h型鍛件使對接焊縫遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)，改善了焊縫的應(yīng)力水平，提高了結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖6 裙座連接處段結(jié)構(gòu)示意圖

1.6 披掛式保溫支持圈

加氫精制反應(yīng)器材料為Cr-Mo 鋼，應(yīng)避免直接在殼體上焊接外部構(gòu)件。披掛式保溫支持圈采用套在頂部人孔上的固定環(huán)和束緊帶來固定保溫材料，不需要在設(shè)備上焊接保溫支持圈，避免了焊接應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的開裂風(fēng)險。

1.7 內(nèi)件支撐凸臺的結(jié)構(gòu)

加氫反應(yīng)器內(nèi)支持圈不采用支持板和筒體角焊縫連接的結(jié)構(gòu)，因為該處角焊縫屬于應(yīng)力集中區(qū)，易發(fā)生氫脆開裂。加氫反應(yīng)器支撐凸臺的結(jié)構(gòu)可見圖7[2]。支撐凸臺和殼體為整體鍛件，沒有角焊縫，僅在其外表面堆焊了不銹鋼耐蝕層。通過加大凸臺堆焊層的外表面圓角半徑，可明顯降低應(yīng)力集中程度。

2 主要制造技術(shù)要求

加氫反應(yīng)器制造過程主要包括殼體鍛造、內(nèi)壁堆焊及焊后整體消除應(yīng)力熱處理和無損檢測、水壓試驗等步驟。

圖7 支撐凸臺結(jié)構(gòu)示意圖

加氫反應(yīng)器常處于高溫、高壓環(huán)境，其殼體壁厚較大，焊接時可采用窄間隙埋弧焊方法[5]，該方法可減少焊材的用量，降低焊縫產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險。窄間隙焊接工藝經(jīng)濟可靠且能保證焊接質(zhì)量。

所有與Cr-Mo 鋼連接的焊縫均應(yīng)采用全焊透形式，且必須清根，焊縫表面應(yīng)磨平或圓弧過渡，降低焊接應(yīng)力和峰值應(yīng)力，防止疲勞裂紋的產(chǎn)生。

內(nèi)壁堆焊前需要先將表面噴砂除銹，用布砂輪打磨內(nèi)壁后采用100%磁粉檢測，檢測合格后預(yù)熱表面。堆焊時先焊接過渡層，法蘭密封面和凸臺圓角處的耐蝕層應(yīng)進行熱處理后再堆焊，其他部位的耐蝕層應(yīng)在熱處理前堆焊。整個堆焊面應(yīng)均勻光滑。

所有焊接、無損檢測結(jié)束，并且檢測合格后，設(shè)備應(yīng)進行整體熱處理，產(chǎn)品焊接試板應(yīng)隨設(shè)備進行同爐熱處理。

3 結(jié)論

加氫反應(yīng)器是加氫裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，其介質(zhì)環(huán)境較惡劣，因此對材料、結(jié)構(gòu)、焊接、檢測等方面的要求較高。本文簡要介紹了加氫反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程、材料選擇及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點，同時對制造和檢測的技術(shù)要求進行了簡單介紹，可為加氫反應(yīng)器的設(shè)計提供參考。