加氫反應器油氣出口與卸料口的安全性能分析與評定

劉姝 賈敏 朱向哲

摘 要：加氫反應器是石油煉制過程中的重要及危險的設備，加氫反應器的油氣出口與卸料口接管方式一般是嵌入式的結構。基于有限元分析對加氫精致反應器R101的油氣出口與卸料口部分進行應力分析，找出其相對最危險的部位，在其部位取應力評定處理線運用相關壓力容器的理論對其檢驗結果進行計算，從而分析計算。

關 鍵 詞：加氫反應器；油氣出口與卸料口；有限元分析

中圖分類號：TQ 052 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）10-2441-02

Performance Analysis and Safety Assessment of Oil-gas Outlet and

Discharging Mouth of Hydrogenation Reactor

LIU Shu，JIA Min，ZHU Xiang-zhe

（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract： The hydrogenation reactor is an important and dangerous equipment in oil refining process， connecting mode of oil-gas outlet and discharging mouth of the hydrogenation reactor always uses the embedded structure. In this paper， based on the finite element analysis， the stress analysis of oil-gas outlet and discharging mouth of the hydrogenation refined reactor R101 was carried out， and the most dangerous place was found out. Through selecting stress evaluation processing line of the place， based on the related theory of pressure vessel， the test results were analyzed and calculated.

Key words： Hydrogenation reactor； Oil and gas exports and discharge outlet； The finite element analysis

為了獲得更高質量的石油化工原料等產品，石油加工工業中設計了加氫工藝裝置—加氫反應器，加氫反應器通常在條件苛刻的環境下工作，所以反應器的鋼材一般都采用造價昂貴的抗氫鋼材，因此加氫反應器的安全性是十分重要的。要怎樣保證其安全運行一直重要課題，據專業人員通過對加氫反應器的內外表面及壁厚檢測、無損探傷、金相檢查和其化學成分分析等檢驗發現接管與筒體間容易發生失效[1，2]。加氫反應器油氣出口與卸料口是加氫反應器的重要的部位，對此部位的安全評價也是很重要的?，F以加氫精致反應器R101為例，通過建立其有限元數值模型同時進行應力分析。

1 加氫反應器的結構尺寸及有限元分析模型

加氫反應器主要用于石油工業中。加氫反應器一般采用球形封頭，結構細長，通長氫氣和原料油從頂端進入加氫反應器，生成的成品油經反應器下端的出口收集器從出口管流出，底部的卸料管用于停工時卸料[3]。加氫反應器的接管方式一般是嵌入式焊接結構。所研究的部位的模型主要是底部的出油口和卸料口部位，油氣出口是DN400的管件，卸料口是DN300的管件。實體模型如圖1所示。加氫反應器底部整體結構如圖2所示。

2 有限元分析計算

2.1 有限元分析簡介

ANSYS是有限元分析軟件，它的應用是相當廣泛的，通?？梢栽跈C械、化工等領域的使用，有限元是數值分析方法的一種為復雜的結構過程分析提供了一種精確的手段，在壓力容器分析中經常需要有限元法來進行應力分析計算，與其他分析方法相比，有限元方法大大節約了開發時間和資金[3]。

2.2 材料特性及網格劃分

本文選取文加氫精致反應器R101為例進行分析討論，加氫精致反應器最高的工作溫度為380 ℃，最高工作壓力為8.14 MPa，由于工作溫度和壓力過高，本加氫精致反應器主要受壓件材料為/4Cr-1Mo，切為彈性材料。

加氫反應器底部是三維實體模型，可以采用3D實體單元，為了提高網格精準性，本結構采用了Solid95單元，同時加氫反應器先采取對筒體部分采用手動合理定制單元大小，之后對封頭和開孔部分進行掃略。其網格劃分如圖3，共劃分了6 366個單元和33 775個節點。

2.3 分析計算

首先需要加氫反應器底部進行載荷和約束，應該在筒體下約束Y方向的位移，在模型前端面施加對稱約束，在容器內壁施加內壓8.14 MPa，在容器接管施加內壓，該內壓是由容器內最高內壓和筒體內徑決定的，根據拉美公式可以計算的出軸向平衡面載荷。

通過有限元計算分析可以得出最高工作應力下的應力云圖，如圖4所示，由此圖可以得出最大應力強度往往發生在封頭和接管之處，取加氫反應器底部接管的內外壁進行應力線評定處理，如圖4，同時用ANSYS進行線性處理可得到該處理線上的薄膜應力、彎曲應力及應力強度等值。

通過以上分析選取了2個危險路徑，根據JB4832-1995《鋼制壓力容器》，封頭和接管的根部在其載荷的作用下，其薄膜應力為局部薄膜應力，故該結構可以進行如下的應力評定[4]，盈利分類和評定結果圖表1。

3 結 論

通過簡單的敘述可看出，加氫反應器在工業發展中占有重要的位置，同時基于有限單元分析對加氫精致反應器R101進行了計算和分析，得出結果如下：

（1）最強應力發生的地方往往是封頭和管件的交接之處，危險系數也是極高的。

（2）通過ANSYS有限單元分析得出該模型滿足強度要求，是安全的。

上述分析表明：加氫反應器預先使用Ansys有限元數值分析方法獲得結構強度，并根據得到的準確信息對其結構性能等進行評價，同時為此部件在實際工況中提供了可靠的依據的工作性，還大大的減少制造生產的損失。

參考文獻：

[1] 宋玉殿.熱壁加氫反應器的安全性能分析與評定作者[D].天津市：天津大學，2006.

[2] 劉值明.熱壁加氫反應器接管裂紋斷裂與家全評價研究[D].黑龍江省大慶市：大慶石油學院，2005.

[3] 楊達.基于ANSYS分析的加氫反應器裂紋擴展研究[D].黑龍江省大慶市：東北石油大學，2010.

[4] 呂明.謝禹鈞.劉復明.基于有限單元法的法蘭連接中的接觸分析[J].當代化工，2012（11）：1278-1280.