多筒爆破反應器分析設計

，

(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

多筒爆破反應器分析設計

宋誠，傅樂

(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

隨著新能源行業的快速發展和國內壓力容器制造水平的持續提高，新能源行業用壓力容器的設計工況日趨惡劣，結構亦復雜化、大型化。生物乙醇作為最廣泛的生物質能類新能源，不僅原材料價格低廉，而且可以解決原材料焚燒帶來的污染和能源浪費等問題。對1臺乙醇生產用工作介質含酸、結構復雜并處于疲勞工況的多筒爆破反應器，從各部件材料選用、厚度確定、結構設計、有限元分析設計、制造要求等方面對其主要設計過程進行了介紹，可為此類壓力容器的設計提供參考。

壓力容器； 多筒爆破反應器； 結構； 設計； 制造要求

隨著能源危機日趨加劇，世界各國紛紛開展新能源的探索與研究，其中生物乙醇的研究與生產最引人注目。傳統乙醇生產原料主要有淀粉質原料和廢糖蜜，生產工藝成熟但成本相對較高。而以農作物秸稈、皮殼作為最廣泛、最廉價的木質纖維素原料生產乙醇，不僅成本低，而且解決了焚燒帶來的污染和能源浪費等問題[1-4]。目前，國內纖維素乙醇生產中用到的壓力容器需求量越來越大，也呈現大型化、復雜化的趨勢。

某多筒爆破反應器用于纖維素乙醇生產過程中的秸稈預處理部分，主要利用蒸汽爆破法，從內部破壞木質纖維素的物理結構，促進半纖維素水解為木糖等單糖，同時加入一定量的酸，防止木糖在高溫下進一步分解成糠醛、乙酸等發酵抑制物，也有利于原料的處理[5]。以往爆破反應器由單筒組成，單次處理量較低。根據本次工藝需要，該爆破反應器設計成由6個爆破筒組成，上下設置管板和錐形封頭，方便原料的進入和排出，結構簡圖見圖1。

圖1 多筒爆破反應器結構簡圖

多筒爆破反應器工作壓力0～2.4 MPa，工作溫度230 ℃，反應器使用地點的抗震設防烈度為7度(0.15g)。參照HG/T 20580—2011《鋼制化工容器設計基礎規定》[6]，該容器的設計壓力確定為2.45 MPa，設計溫度確定為230 ℃。反應器主要工作介質有磷酸、水蒸氣、糠醛、乙酸和丙酸，介質相對復雜，并且處于疲勞操作工況。設備材料有不銹鋼、復合鋼板以及堆焊不銹鋼層的鍛鋼，設計過程中需對設備強度進行校核，還需結合制造廠家的實際制造能力，考慮設備制造、檢驗過程的可操作性，同時優化設備的結構。筆者對這臺多筒爆破反應器的主要設計過程進行了簡要介紹，以期對此類容器的設計提供參考。

1 多筒爆破反應器設計過程

1.1

材料選用[7-12]

選擇壓力容器材料時除了要考慮材料的力學性能、化學性能、物理性能和工藝性能之外，同時還要考慮經濟合理性和預制廠的實際制造能力。該設備工作介質成分復雜，并且對碳鋼、低合金鋼有較強的腐蝕性，所有與工作介質接觸的部位應選用不銹鋼材質。

1.1.1筒體

多筒爆破反應器主體由6個爆破筒組成，單筒筒體外徑為560 mm，筒體材料可選用復合鋼板或不銹鋼鋼管。經計算對比造價，根據GB 24511—2009《承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶》[7]，筒體材料選用S30408比較合理。

1.1.2管板

反應器的6個爆破筒由上、下2個管板固定，管板外徑為2 400 mm，管板厚度較大，只能選用鍛件16MnⅣ，需滿足NB/T 47008—2010《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》[9]的要求。

管板帶凸邊，以實現和錐殼的對接焊接。由于存在凸邊，無法采用爆炸復合不銹鋼層的方法加工管板，只能在管板內表面堆焊304不銹鋼層，以達到防腐的目的。

1.1.3錐殼

管板上下連接錐殼，錐殼材料可以選用不銹鋼板或者不銹鋼復合鋼板。由于選用不銹鋼板厚度較大，經過計算對比造價，根據 NB/T 47002.1—2009《壓力容器用爆炸焊接復合板 第1部分：不銹鋼-鋼復合板》[10]，錐殼的材料最終選用復合板S30408+Q345R。

1.1.4其他

錐殼上下開孔接管及法蘭材料選用鍛件16Mn固溶S30408鋼板。

多筒筒體上開孔接管材料選用不銹鋼無縫鋼管S30408，需滿足GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》[11]的要求。

法蘭材料選用不銹鋼鍛件S30408，必須滿足NB/T 47010—2010《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》[12]的要求。

1.2厚度確定

1.2.1管板

該多筒爆破反應器處于疲勞工況，管板厚度按JB 4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設計標準》[13]進行計算：

(1)

式中，δp為管板計算厚度，Dc為容器內直徑，mm；Ks為結構特征系數，根據文獻[13]中圖9-3查取；K為載荷組合系數，K=1；pc為計算壓力，Sm為設計應力強度，MPa。

經過計算，并考慮開孔補強及鋼板負偏差等因素，管板厚度暫取220 mm，最終厚度根據有限元分析設計結果調整優化確定。

1.2.2錐殼

文獻[13]中對錐殼的計算過于繁瑣，故按照GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[14]計算初定錐殼厚度。該設備有2個錐殼，上錐殼半頂角α=45°，大端有折邊，小端無折邊；下錐殼半頂角α=60°，大小端均有折邊。上、下錐殼計算過程類似，文中以上錐殼的計算為例。

根據文獻[14]中的圖5-13，上錐殼小端與圓筒之間需要設置加強段，加強段的厚度按照式(2)進行計算：

δr=Q2δ

(2)

式中，δr為加強段計算厚度，mm；Q2為上錐殼小端應力增值系數，按文獻[14]圖5-14查取；δ為與錐殼相連接的圓筒厚度，按文獻[14]中式3-1計算。經過計算，并考慮鋼板負偏差等因素，上錐殼小端的厚度暫取12 mm。

上錐殼過渡段厚度以及與過渡段相接處的錐殼厚度按照式(3)、式(4)計算，上錐殼大端的計算厚度取兩者的較大值。

(3)

(4)

經過計算，并對比上錐殼小端厚度，暫定上錐殼名義厚度為26 mm，最終厚度根據有限元分析設計結果調整優化確定。

1.2.3筒體及接管

筒體及接管厚度計算時應考慮自身強度和開孔補強，計算比較簡單，文中不再論述。

1.3結構設計

多筒爆破反應器有6個反應筒，且為疲勞設備，反應筒與管板之間的焊縫要求采用焊透結構。由于管板較厚，經分析比較文獻[13，14]給出的各種焊接結構，并與制造廠溝通，選用了一種新的安放式全焊透焊接結構，見圖2。

圖2 爆破筒與管板焊接形式

考慮到多筒爆破反應器焊接施工的可行性，將原設計2個相鄰爆破筒外壁之間的間距由150 mm調整為220 mm，滿足了焊接人員進入爆破筒背面施工的條件。

多筒爆破反應器的部件材料種類比較多，各部件之間的焊接結構均可以參考爆破筒與管板之間的焊接形式。

2 多筒爆破反應器有限元分析設計

多筒爆破反應器的分析設計過程主要包含設備的應力分析和疲勞分析兩部分，以錐殼為例，選取反應器的1/6模型進行分析，上、下錐殼模型網格劃分見圖3，力學邊界見圖4，應力強度及應力評定路徑見圖5。

圖3 多筒爆破反應器錐殼模型網格劃分

圖4 多筒爆破反應器錐殼力學邊界

根據JB 4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設計標準》[13]第5章對線性化結果進行應力分析評定，各路徑均評定合格，而且裕量適中，無需對各零部件厚度尺寸進行修改，達到了分析設計的要求。

圖5 多筒爆破反應器錐殼應力強度及應力評定路徑

3 多筒爆破反應器制造要求

3.1主要材料要求

該反應器所用基材Q345R鋼板應正火狀態供貨，并逐張進行100%超聲檢測，以符合NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》[15]中Ⅱ級為合格。所用鋼板厚度偏差應符合GB/T 709—2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》[16]中C類允許偏差。

錐殼所用Q345R鋼板應逐張進行—20 ℃夏比(V形缺口)沖擊韌性復驗，3個標準試樣沖擊功KV2均應滿足KV2≥80 J。

殼體復合板應符合NB/T 47002.1—2009中B1級要求，基材Q345R鋼板應符合GB 713—2014的規定，覆材S30408鋼板應符合GB 24511—2009的規定，S30408鋼板應進行固溶處理。

3.2進廠驗貨

鍛件進廠之后，需按照NB/T 47010—2010進行復驗。其他材料按照相應標準規范要求進行進廠驗貨。

3.3其他要求

在容器焊接前，應按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》[17]的規定對對接接頭進行焊接工藝評定。

過渡層堆焊以及耐蝕層堆焊完成后應分別進行滲透檢測，以符合NB/T 47013.5—2015[18]《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》中規定的I級為合格。

4 結語

該多筒爆破反應器經過設計、制造、檢驗、驗收和安裝，已成功應用于纖維素乙醇生產過程中，目前運行良好。

文中對多筒爆破反應器的設計過程進行了介紹，通過選用合理的材料，結合預制廠實際制造能力設計焊接結構，采用常規設計標準與分析設計標準結合確定設備厚度，并采用有限元分析設計方法，高效可靠地完成了多筒爆破反應器的設計，可為此類壓力容器的設計提供借鑒。

[1] 徐龍君，劉鐘駿，徐宏亮，等．稻草秸稈同時糖化法制燃料酒精工藝條件[J].重慶大學學報，2008，31(6)：698-702．

(XU Long-jun，LIU Zhong-jun，XU Hong-liang，et al．Fuel Ethanol Preparation form Straw Stalks Using Simulataneous Saccharification and Fermentation[J].Journal of Chongqing University，2008，31(6)：698-702．)

[2] 梁鴻霞，李濤，高道江.小麥秸稈生產生物乙醇的預處理技術研究進展[J].四川師范大學學報(自然科學版)，2015，38(6)：918-924，788.

(LIANG Hong-xia，LI Tao，GAO Dao-jiang.Progress of Pretreatment Methods for Wheat Straw in Preparing Process of Bioethanol[J].Journal of Sichuan Normal University(Natural Science)，2015，38(6)：918-924，788.)

[3] 羅靈芝，李春玲，袁敬偉，等.響應面法優化玉米秸稈同步酶解發酵產乙醇條件[J].生物加工過程，2009，7(3)：27-33.

(LUO Ling-zhi，LI Chun-ling，YUAN Jing-wei，et al. Optimization of Simultaneous Saccharification and Fermentation Conditions for Production of Bioethanol from Steam-exploded Corn Stover Using Response Surface Methodology[J].Chinese Journal of Bioprocess Engineering，2009，7(3)：27-33.)

[4] 張強，莊莉，Anne Belinda Thomsen.玉米秸稈水解液脫毒處理發酵生產酒精研究[J].農業機械學報，2012，43(7)：108-111.

(ZHANG Qiang，ZHUANG Li，Anne Belinda Thomsen. Ethanol Production from Detoxified Corn Stover Hydrolysate[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2012，43(7)：108-111.)

[5] 趙鵬翔，吳毅，趙正凱．稀硫酸預浸漬對玉米秸稈蒸汽爆破預處理的影響[J].化學與生物工程，2013，30(5)：67-71．

(ZHAO Peng-xiang，WU Yi，ZHAO Zheng-kai．The Effect of Dilute Sulfuric Acid Impregnation on Steam Explosion Pretreatment of Corn Stover[J].Chemistry & Bioengineering，2013，30(5)：67-71．)

[6] HG/T 20580—2011，鋼制化工容器設計基礎規定[S].

(HG/T 20580—2011，Specification of Design Base for Steel Chemical Vessels[S].)

[7] GB 24511—2009，承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶[S].

(GB 24511—2009，Stainless Steel Plate，Sheet and Strip for Pressure Equipments[S].)

[8] GB 713—2014，鍋爐和壓力容器用鋼板[S].

(GB 713—2014，Steel Plates for Boilers and Pressure Vessels[S].)

[9] NB/T 47008—2010，承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件[S].

(NB/T 47008—2010，Carbon and Alloy Steel Forgings for Pressure Equipments[S].)

[10] NB/T 47002.1—2009，壓力容器用爆炸焊接復合板 第1部分：不銹鋼-鋼復合板[S].

(NB/T 47002.1—2009，Explosion Welded Clad Plate for Pressure Vessels—Part 1：Stainless Steel-Steel Clad Plate[S].)

[11] GB/T 14976—2012，流體輸送用不銹鋼無縫鋼管[S].

(GB/T 14976—2012，Seamless Stainless Steel Pipes for Fluid Transport[S].)

[12] NB/T 47010—2010，承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件[S].

(NB/T 47010—2010，Stainless and Heat-resisting Steel Forgings for Pressure Equipments[S].)

[13] JB 4732—1995(2005年確認)，鋼制壓力容器——分析設計標準[S].

(JB/T 4732—1995(2005 Confirmation)，Steel Pressure Vessels——Design by Analysis[S].)

[14] GB 150.1～150.4—2011，壓力容器[S].

(GB 150.1～150.4—2011，Pressure Vessels[S].)

[15] NB/T 47013.3—2015，承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測[S].

(NB/T 47013.3—2015，Nondestructive Testing of Pressure Equipments—Part 3：Ultrasonic Testing[S].)

[16] GB/T 709—2006，熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差[S].

(GB/T 709—2006，Dimension，Shape，Weight and Torlerances for Hot-rolled Steel Plates and Sheets[S].)

[17] NB/T 47014—2011，承壓設備焊接工藝評定[S].

(NB/T 47014—2011，Welding Procedure Qualification for Pressure Equipment[S].)

[18] NB/T 47013.5—2015，承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測[S].

(NB/T 47013.5—2015，Nondestructive Testing of Pressure Equipments—Part 5：Penetrant Testing[S].)

(張編)

AnalysisDesignofExplodingMulti-shellVessel

SONGCheng，FULe

(China Liaohe Petroleum Engineering Company Ltd.， Panjin 124010， China)

With the rapid development of the new energy industry and the continuous improvement of the level of the domestic pressure vessel manufacturing，the design conditions of the vessels for energy industry is worse， the structure is more complex and larger gradually. As the most general biomass energy，bioethanlo not only has the cheap raw material，but also solve the problem of pollution and energy wasting from burning the raw material. The design of fatigue exploding multi-shell vessel with acid medium and complex structure is introduced from material selection，thickness determination， structural design，analysis design with finite element，requirement of manufacture as the reference function to the design of the similar vessels.

pressure vessel； exploding multi-shell vessel; structure； design； manufacture requirement

TQ050.7； TB115.1

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.005

1000-7466(2017)03-0021-05①

2016-11-30

宋 誠(1987-)，男，遼寧盤錦人，工程師，學士，主要從事壓力容器的設計等工作。