董俊龍* 周小錫 潘 非

（青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司）

0 引言

精對苯二甲酸（PTA）是重要的有機原料，被廣泛應用于化工、紡織、輕工、電子、建筑等領(lǐng)域。近年來，聚酯產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)能持續(xù)增加，我國PTA的下游產(chǎn)業(yè)以及聚酯類產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，產(chǎn)品種類越來越多，應用也越來越廣泛，導致PTA產(chǎn)品的市場價格一直居高不下，因此國內(nèi)市場對PTA加氫反應器的需求也與日俱增。綜上所述，PTA裝置越來越受到國內(nèi)外的設(shè)計院、工程公司和裝備制造商的青睞與重視。

PTA 加氫反應器是PTA 裝置中的核心設(shè)備，保證加氫反應器穩(wěn)定運行是PTA裝置穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，要保證PTA反應器穩(wěn)定運行，就需保證冷氫原料持續(xù)不斷地進入反應器。因此PTA反應器冷氫入口的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯得尤為重要。

1 PTA反應工藝與流程

PTA反應器中，對苯二甲酸（TA）溶液溫度經(jīng)過預熱器加熱到282～290 ℃，進入加氫反應器（如圖1所示），反應器內(nèi)部填裝Pd/C催化劑，在催化劑的作用下，TA溶液與含有飽和蒸汽的氫氣（40℃）發(fā)生反應。TA溶液與氫氣由反應器頂部的物料入口與氫氣入口注入，在滿液位浸泡的Pd/C催化劑中， CTA 中的4-CBA 被還原成水溶性的PT酸，再進入結(jié)晶器結(jié)晶。TA加氫反應為放熱反應，反應溫度（270～300 ℃）與反應壓力（6.8～9.0 MPa）都比較高，且在反應過程中需要持續(xù)通入40 ℃的氫氣。因為氫氣進入反應器的溫度較低，因此冷氫接管在承受內(nèi)壓載荷的同時還要承受由冷氫產(chǎn)生的200 ℃以上溫差載荷，屬于復雜的機械-熱耦合應力狀態(tài)，由溫差帶來的應力不容忽視，因此在設(shè)計PTA反應器時，有必要對冷氫管進行機械-熱耦合的應力強度計算。

2 冷氫口應力分析

2.1 PTA反應器設(shè)計參數(shù)

現(xiàn)以某公司制造的PTA加氫反應器為例，該設(shè)備設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 反應器設(shè)計參數(shù)

2.2 冷氫口結(jié)構(gòu)尺寸

PTA加氫反應器為固定床結(jié)構(gòu)反應器，容器上部設(shè)置有溶解罐、液體分布器，下部設(shè)有帶過濾裝置的出口收集器。反應器是典型的帶裙座立式容器，反應器的接管大多布置在上封頭處，而冷氫口就布置在上封頭人孔的人孔蓋上。如圖1所示，法蘭蓋上部設(shè)置補強管，冷氫口與排氣口通過三通與補強管相連，冷氫管插入容器內(nèi)部。

圖1 冷氫口結(jié)構(gòu)尺寸

2.3 材料選擇及性能

PTA加氫反應器介質(zhì)中包含氫氣，因此需考慮氫腐蝕和氫氣對材質(zhì)的影響，反應器的主體結(jié)構(gòu)選用抗氫鋼SA-336 F22 CL.3。由于反應產(chǎn)物腐蝕性較強，容器內(nèi)部與介質(zhì)接觸的部位全部堆焊鎳基材料。在冷氫口結(jié)構(gòu)中，人孔蓋和補強管的材料均為SA-336 F22 CL.3+堆焊，而三通與法蘭的材質(zhì)選擇S32168不銹鋼鍛件。SA-336與S32168不銹鋼的力學性能如表2所示，材料的許用應力可根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定的安全系數(shù)計算得到。由于需要對冷氫口結(jié)構(gòu)進行溫度場分析，因此查詢ASME ⅡD和GB 150—2011《壓力容器》及GB/T 151—2014《熱交換器》，得到不同溫度下SA-336、S32168和保溫材料的平均線膨脹系數(shù)、平均導熱系數(shù)，以及不同溫度下SA-336、S32168的彈性模量。

表2 材料力學性能參數(shù)

注：Rm——材料抗拉強度；

ReL——材料屈服強度；

μ——材料泊松比；

Et——材料在設(shè)計溫度下的彈性模量；

Sm——材料在設(shè)計溫度下的設(shè)計應力強度

2.4 模型、載荷和約束

2.4.1 幾何建模

根據(jù)冷氫口的結(jié)構(gòu)與載荷特點，在某些反應器中，冷氫口可能受到管道載荷的作用，因此在建模時考慮采用三維整體建模。模型應包括人孔法蘭、人孔蓋、補強管、三通、法蘭以及保溫層，由于此處不分析人孔法蘭與法蘭蓋的螺栓連接作用，因此將人孔法蘭與法蘭蓋作為整體建模，不考慮螺栓的情況。

2.4.2 有限元模型

溫度場分析時采用SOLID90單元，機械載荷分析采用SOLID186單元。對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，保證大部分網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完成后，該結(jié)構(gòu)共有224 951個單元，604 628個節(jié)點。對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，單元密度需滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。

2.4.3 載荷與約束

由于設(shè)備操作溫度是287 ℃，而冷氫進口溫度保持在40 ℃，因此可以看做穩(wěn)態(tài)熱分析。設(shè)備內(nèi)壁及冷氫管外表面的溫度邊界為設(shè)備操作溫度為287 ℃，對流傳熱取經(jīng)驗值，即1.18×10-3W/（mm2·℃）。冷氫管持續(xù)通入40 ℃冷氫，因此冷氫管內(nèi)表面溫度邊界為40 ℃，對流傳熱系數(shù)取經(jīng)驗值，在外保溫層施加環(huán)境溫度和與外界空氣的對流傳熱系數(shù)1.2×10-5W/（mm2·℃），如圖2所示。熱分析時不設(shè)置約束條件。

圖2 冷氫口熱分析邊界條件

進行機械-熱耦合應力分析時，在法蘭及接管內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷，在接管端面施加內(nèi)壓等效載荷，在法蘭底部施加環(huán)向與軸向約束，并且將熱分析得到的溫度場導入到應力分析中，作為溫度邊界條件。機械-熱耦合應力分析載荷與約束條件如圖3所示。其中接管端面等效載荷應按下式計算：

圖3 機械-熱分析邊界條件

式中：F——接管端面等效力，N；

pc——設(shè)備所施加的內(nèi)壓，MPa；

Di——接管內(nèi)徑，mm。

2.5 應力分析結(jié)果

由熱分析得到的溫度場如圖4所示，結(jié)果表明，人孔法蘭蓋徑向的溫度梯度較大，內(nèi)壁開孔處溫度為129 ℃，到1/3半徑處溫度就增大到268 ℃，較大的溫差必然導致產(chǎn)生了較大的溫差應力。

圖4 冷氫口溫度場云圖

冷氫口結(jié)構(gòu)機械分析應力云圖及機械-熱耦合分析應力云圖如圖5和圖6所示。由計算結(jié)果可知，當不考慮溫度場時，冷氫口結(jié)構(gòu)的應力最大值僅為116 MPa，位于補強管根部。在機械分析中考慮溫度場后，該結(jié)構(gòu)的最大應力變?yōu)?49 MPa，位于法蘭蓋開孔內(nèi)壁處。這是由于冷氫接管溫度低，設(shè)備內(nèi)部溫度高，導致法蘭蓋徑向溫差較大，溫差應力也大，因此法蘭蓋開孔內(nèi)壁處的局部應力較大，這與實際運行情況相符。兩種分析結(jié)果相差較大，表明在PTA反應器冷氫口結(jié)構(gòu)的設(shè)計校核中，不能只考慮機械載荷的影響，應當考慮機械與溫度載荷的共同作用，對此處進行機械-熱耦合分析。

圖5 機械分析應力云圖

圖6 機械-熱耦合分析應力云圖

2.6 應力強度評定

該設(shè)備分析設(shè)計時，應力分類應按分析設(shè)計標準中的表4-1，應力評定按分析設(shè)計標準中表5-1，即一次應力強度用設(shè)計工況，而一次加二次應力強度與峰值應力強度用工作工況（本分析中壓力使用設(shè)計壓力，結(jié)果偏保守）。在工作工況下，法蘭蓋開孔內(nèi)壁處應力最大，因此對法蘭蓋進行應力強度評定，應力評定路徑如圖7所示，對所選取路徑進行應力線性化處理，應力強度評定結(jié)果如表3所示，該結(jié)果可滿足標準要求。載荷系數(shù)K可見分析設(shè)計標準中的表3-3。

圖7 冷氫口應力評價路徑

表3 應力強度評定結(jié)果

3 設(shè)計與制造中應注意的問題

通過以上分析可知，進行PTA反應器冷氫口設(shè)計校核，必須考慮冷氫入口溫度的影響，對該結(jié)構(gòu)進行應力分析時應建立機械-熱耦合模型，再進行應力計算。通過計算可知，該結(jié)構(gòu)中人孔蓋開孔處的應力較大，因此在冷氫口結(jié)構(gòu)設(shè)計中應著重考慮人孔蓋與冷氫管連接部位的結(jié)構(gòu)以及補強管的設(shè)置情況。在冷氫口結(jié)構(gòu)的制造中也應著重考慮此處的制造工藝。人孔蓋與補強管的焊接應采用全焊透結(jié)構(gòu)，盡量減少或避免焊接缺陷。補強管與法蘭蓋開孔內(nèi)徑在焊接前應留有余量，焊接后應從內(nèi)部鉆至所需要的尺寸，以便清除焊縫內(nèi)部的未焊透或氣孔缺陷。焊后應進行100%射線或超聲檢測，并在接管組裝后按相應的熱處理規(guī)范進行焊后熱處理，以消除焊接產(chǎn)生的殘余應力，提高此處強度與使用壽命。

4 結(jié)語

根據(jù)PTA反應器載荷工況進行分析后可知，PTA反應器中冷氫入口結(jié)構(gòu)處存在機械-熱耦合作用。通過使用有限元分析軟件，對PTA加氫反應器中冷氫口結(jié)構(gòu)進行機械-熱耦合應力分析與強度評價，得到結(jié)構(gòu)中危險路徑的應力值均小于許用值，符合評定標準要求。并根據(jù)計算結(jié)果提出了冷氫入口結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造中應注意的問題。該冷氫結(jié)構(gòu)已運用到多個項目的PTA加氫反應器中，設(shè)備至今正常生產(chǎn)運行，且均達到設(shè)計年產(chǎn)量，證明了本結(jié)構(gòu)及本評定方法的安全可靠性。