嚴坤 聶星月 施雷

（1.武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064；2.長江大學機械工程學院，湖北荊州 434023）

0 引言

21世紀以來，我國各行各業(yè)飛速發(fā)展，因而對石油的需求與日俱增。在原油冶煉行業(yè)中，自20世紀70年代開始就采用高溫高壓加氫精制技術[1]。隨后，加氫脫硫和裂化技術飛速發(fā)展，使得煉油相關的工藝技術不斷創(chuàng)新進步，進一步推動了用于煉油的反應裝置（即加氫反應器）的設計和制造技術發(fā)展。加氫反應壓力容器作為石油化工行業(yè)生產(chǎn)中原油煉制的核心裝備，為各類反應提供了適合的環(huán)境，因此在石油化工領域得到了普及推廣。為保證油品質量較高，需要控制高溫高壓，同時反應過程中極易產(chǎn)生硫化氫等易腐蝕設備的介質，這種惡劣的工作環(huán)境給加氫裝置帶來了嚴峻的考驗。為順應市場逐漸增長的需求，保證生產(chǎn)安全，研究者們對石油化工設備中壓力容器的設計展開了諸多研究[2-4]。

1 壓力容器技術分析

壓力容器作為一種盛裝流體且能夠承載一定壓力的密閉型設備，一般由筒體、封頭、法蘭、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等組成。依據(jù)使用環(huán)境及制造條件，本文設計的壓力容器內壓為20 MPa，許用應力180 MPa，工作溫度250 ℃，筒體內徑500 mm，筒體長度6 500 mm，腐蝕裕量1 mm，使用壽命25年。該高壓壓力容器承受的壓力高，直徑大，使用壽命長，根據(jù)《壓力容器》（GB 150.1～150.4—2011）[5]與《鋼制化工容器設計基礎規(guī)定》（HG/T 20580—2011）[6]中的方法進行設計，主要包括筒體、封頭、法蘭、接管以及開孔補強等結構的設計。加氫反應壓力容器結構示意圖如圖1所示。

圖1 加氫反應壓力容器結構

高壓壓力容器采用焊接結構，其基本工藝如圖2所示。容器筒體材料為12Cr2Mo1R 鋼板；兩端采用長短軸比為2的標準橢圓形封頭，材料為12Cr2Mo1R?？紤]到容器的使用要求，在封頭頂部設置接管，原料油與氫氣通過接管進入容器內，在催化劑的催化下發(fā)生化學反應，在反應過程中產(chǎn)生高熱量，為了避免容器溫度持續(xù)升高，在筒體上設置冷氫管，向容器內灌入冷氫以降低溫度，待反應結束后，成品油通過裙座的出口管流出；同時裙座上還設有卸料口，可以卸載原油中多余的廢料。

圖2 壓力容器基本工藝

2 結構設計

2.1 筒體設計

壓力容器筒體大致為軸對稱結構，根據(jù)設計標準，容器周長的偏差需控制在筒直徑的3% 。在筒體制作時，卷板、焊接、焊接防變形等工藝極易使筒體圓度發(fā)生偏差，因此需要在工藝過程中實時監(jiān)控，以保證筒體圓度。而筒體棱角度會導致筒體結構不連續(xù)，產(chǎn)生額外的應力，隨著時間的增加導致筒體被腐蝕斷裂。由于本設計中，筒體的厚度較大，主要會產(chǎn)生環(huán)向棱角度，所以采用內V 形坡口來代替外V 形坡口以控制筒體棱角度。

在壓力容器設計的過程中，為了保證容器的使用，設計者常常通過增加筒體的厚度來增大其承載能力，但這種設計方法會增大容器的質量，給容器的制造和運輸造成困難。為了使壓力容器在保證強度的條件下質量達到最小，需要對筒體的結構進行優(yōu)化。以容器的外殼質量最小為優(yōu)化目標，選取筒體內徑、筒體長度、筒體壁厚和封頭壁厚為優(yōu)化參數(shù)，列出四組優(yōu)化約束方程。

（1）容積條件：優(yōu)化后的壓力容器容積需滿足所需容積要求。

（2）厚度條件：為保證容器的使用安全，外殼經(jīng)過設計加工，不包括腐蝕裕量的厚度最小不能小于3 mm 。

（3）長度與直徑的比值條件：為了保證壓力容器的安全，當容器承受較大壓力時，需通過增加容器的內徑與壁厚來提高容器的承壓能力，但容器質量也會隨之增大。因此選取合適的長徑比是優(yōu)化容器質量的關鍵，在設計過程中一般選取長徑比為：。其中，L為筒體長度；D為筒體內徑；n為壁厚。

（4）強度條件：依據(jù)設計溫度計算出的容器壁厚應滿足最小壁厚條件，且為了滿足強度要求，計算應力需小于許用應力。

在本設計中，根據(jù)給定的容器容積、工作壓力、設計溫度、筒體內徑和長度條件，可計算出筒體壁厚為50 mm 。又根據(jù)上述優(yōu)化算法，可知優(yōu)化后筒體壁厚為30 mm 。相較于原常規(guī)設計，該壓力容器在保證強度要求的條件下，質量減輕了25%，能夠有效減少材料浪費，且便于運輸。

2.2 封頭設計

封頭是壓力容器的主要零件之一，根據(jù)現(xiàn)有的《壓力容器》（GB 150.1～150.4—2011）設計規(guī)范，在壓力容器中應用的凸型封頭大致有橢圓形封頭、半球形封頭、平底形封頭、錐形封頭、碟形封頭及球冠形封頭幾種。本容器上封頭與法蘭的連接如圖3所示，下封頭則采用長短軸比為2的標準橢圓形封頭。

圖3 法蘭與封頭連接

壓力容器筒體內徑500 mm，內壓為20 MPa。依據(jù)壓力容器設計標準，由于承受內壓的橢球殼在赤道圓處可能出現(xiàn)壓力，為防止失穩(wěn)，規(guī)定：當封頭內徑與內曲面深度的比值小于4時，封頭的有效厚度需不小于其直徑的0.15% ；當封頭內徑與內曲面深度的比值大于4時，封頭的有效厚度需不小于其直徑的0.30% 。另材料為12Cr2Mo1R 的碳素合金鋼殼體加工后，為保證強度要求，容器的最小厚度應大于3 mm 。依據(jù)上述設計要求，設計出該加氫反應壓力容器的封頭壁厚為35 mm 。

2.3 法蘭設計

法蘭、螺栓及墊片是一個系統(tǒng)，通常綜合考慮設計[7]。法蘭的設計實際上包括墊片、螺栓及法蘭設計三部分，并需依次進行，每一步設計都會對結果產(chǎn)生直接的影響。法蘭設計首先需要從墊片設計開始。

2.3.1 墊片設計

墊片是法蘭連接的核心，密封效果的好壞主要取決于墊片的密封性能。在連接中，將螺紋與螺栓擰緊，使墊片發(fā)生彈性和塑性變形，填塞密封面的不平處，達到密封的目的。在墊片選擇時，應根據(jù)溫度、壓力及介質的腐蝕性確定墊片的材料、結構形式和尺寸。常用于法蘭連接的墊片材料有非金屬、金屬、組合式墊片三種。非金屬墊片柔軟、耐腐蝕、價格便宜，但不耐高溫高壓。因此，本設計選用耐高溫、耐高壓、密封持久可靠，可適應壓力、溫度有波動的工況條件的橢圓金屬環(huán)墊進行密封。依據(jù)容器的使用環(huán)境及性能，與上封頭的入口法蘭以及與裙座的出口法蘭接觸的密封墊片均選用材料為0Cr13的金屬環(huán)墊，該環(huán)墊的最高使用溫度為540 ℃，最軟硬度為160HBS。入口法蘭選擇R.71金屬環(huán)墊，該墊片平均節(jié)徑為533.4 mm，環(huán)寬為28.58 mm，橢圓形環(huán)高為36.51 mm。接管法蘭選擇R.51金屬環(huán)墊，該墊片平均節(jié)徑為279.4 mm，環(huán)寬為22.23 mm，橢圓形環(huán)高為28.58 mm。

2.3.2 螺栓設計

法蘭連接密封是靠螺栓壓緊墊片來實現(xiàn)的，所需的壓緊力既要保證預緊和操作時保持一定的密封比壓，達到有效的密封要求，又要使密封墊片不被壓壞。螺栓作為法蘭密封結構中的主要受壓元件，應該選用強度高、韌性好的鋼材，本文中選用材料為25Cr2MoVA的螺栓。為減少螺母對螺栓的磨損，避免卡死或膠合，通常采用不同的熱處理方法，使其具有不同的硬度。考慮到螺母比螺栓更容易更換，通常使螺栓材料的硬度比螺母高30HB。上封頭的入口法蘭以及裙座的出口法蘭上的螺紋均選擇GB/T 193中螺距為4 mm 的細牙螺紋，配合公稱直徑為70 mm 的螺栓使用，16個螺栓均勻分布。筒體的冷氫法蘭上的螺紋選擇粗牙螺紋，配合公稱直徑為40 mm 的螺栓使用，8個螺栓均勻分布。螺栓主要設計參數(shù)如表1所示。最后需對螺栓的強度進行校核，確保其滿足使用要求。

表1 螺栓設計參數(shù)

2.3.3 法蘭設計

由于生產(chǎn)工藝操作及制造、安裝、檢維修和運輸需要，通常將壓力容器及設備做成可拆卸的連接結構，其中采用法蘭連接的形式最為普遍。法蘭作為壓力容器中受壓最廣泛的元件之一，按其整體程度大致分為三類：松式法蘭、整體法蘭及任意式法蘭。由于整體法蘭的法蘭、法蘭頸部及容器能有效地連接為一個整體，使其具有相同的結構強度，所以在高壓壓力容器中，選用整體法蘭更為合適。

對于高壓法蘭，通常是末端流體靜壓力起主導作用，高壓法蘭需要較大的螺栓面積來抵消末端流體靜壓力。螺栓面積增大，螺栓的螺紋圈數(shù)也會增加，則需要設計較厚的法蘭和較大的輪轂，用以分配螺栓負載。所以，在法蘭設計過程中，需使螺栓的數(shù)量和尺寸、螺栓間距及螺栓直徑之間達到平衡。法蘭尺寸的確定主要包括壓緊面尺寸、連接尺寸、強度尺寸和結構尺寸等基本尺寸的設計。在本設計中，法蘭材料在設計溫度下許用應力為163 MPa，可計算法蘭的有效厚度為15 mm 。最后對法蘭的軸向應力、徑向應力、環(huán)向應力以及組合應力進行校核，以確保法蘭的強度滿足使用要求。

3 其他設計

3.1 腐蝕裕量的確定

壓力容器的壁由于腐蝕而變薄，從而縮短了壓力容器的壽命。壓力容器發(fā)生腐蝕的原因有以下幾點：

（1）試劑對容器內壁的化學侵蝕；

（2）由于空氣和潮濕而生銹；

（3）高溫氧化；

（4）由于試劑高速流過管壁表面而產(chǎn)生侵蝕。

在壓力容器的使用過程中，腐蝕是不可避免的，因此需適當增加壁厚，以補償由腐蝕引起的容器壁變薄。腐蝕余量是壓力容器壁承受內部壓力所需的額外厚度，對均勻腐蝕的容器進行設計時，應根據(jù)容器的使用壽命及容器內氣體或液體的腐蝕速率確定。容器內各個零件的腐蝕裕量需根據(jù)腐蝕速率的不同，采用不同的數(shù)值。

3.2 開孔補強設計

壓力容器設計過程中開孔是一個重要環(huán)節(jié)，會直接對壓力容器的使用性能產(chǎn)生影響[8-9]，通過開孔補強可以很好地提高開孔處的性能?，F(xiàn)有的開孔補強技術一般有補強圈補強技術、整體鍛件補強技術以及厚壁接管補強技術。在該壓力容器的設計中，為了便于制造，建議采用接管補強技術。該補強技術在應用時，需要選擇合適的材料，選用的補強材料最好與殼體材料強度相近。如果材料強度過高，會影響焊接效果，則需要縮小補強面積來確保應力平衡；如果強度過低，會使接管的流通面積改變，則需要增大補強面積來強化應力效果。

3.3 支座設計

壓力容器及設備是通過支座固定在工藝流程中的某一位置上的。支座形式主要分為三大類：立式容器支座、臥式容器支座和球形容器支座。由于該壓力容器筒體長度為6.5 m，高度與直徑之比大于5，因此選用裙式支座。

3.4 超壓泄放裝置設計

當壓力容器內介質壓力超過容器最大設計承載能力時，超壓泄放裝置會立即自動泄放壓力介質，使容器實際承受的壓力被限制在安全許可范圍內，防止容器過度超壓，保護容器免于發(fā)生破壞事故[10]。

3.4.1 安全閥

安全閥主要由密封結構及加載機構組成，是一種由進口側流體介質作用推動閥瓣開啟、卸壓后自動關閉的特種閥門，屬于重閉式泄壓裝置。安全閥按平衡內壓的方式主要可分為彈簧式、杠桿式和先導式，對于一般中、高壓容器，常常選用彈簧式安全閥。

3.4.2 爆破片

爆破裝置主要由爆破片和夾持器組成，是一種由進出口介質壓差作用驅使膜片破裂而自動泄壓的裝置，屬于非重閉式泄壓裝置。常見的爆破片形式有正拱形、反拱形和平板形，對于脈動載荷，常選用正拱形爆破片。

為了滿足泄壓要求，在本設計中選用安全閥與爆破片串聯(lián)使用的方式來進行泄壓。

4 結語

隨著石油化工行業(yè)的迅速發(fā)展，研究者們越來越重視加氫反應壓力容器的設計與制造。加氫反應壓力容器工作環(huán)境和使用性能要求較高，常年工作在高溫高壓環(huán)境，并伴隨著各種化學反應，長期經(jīng)受化學腐蝕。本文設計了一套內壓為20 MPa、許用應力為180 MPa、工作溫度為250 ℃的加氫反應壓力容器，容器筒體質量大約為2 500 kg，容積約為1.35 m3。該容器容積小，比表面積大，適用于熱效應大的氣相反應或液相反應，能夠更好地散熱，耐高溫、耐腐蝕，在原油加工上有廣泛的應用。