加氫反應器內部支撐結構設計及應力計算

(中國石油工程建設公司 新疆設計分公司， 新疆 烏魯木齊 830019)

加氫反應器內部支撐結構設計及應力計算

陳默

(中國石油工程建設公司 新疆設計分公司， 新疆 烏魯木齊 830019)

介紹了加氫反應器內件液體分配盤、填料格柵及催化劑的支撐結構形式。液體分配盤整體重量及支撐結構受力均較小，選用支持圈焊接在堆焊過渡層的結構形式，并采用工程簡化計算方法進行應力校核。填料格柵和催化劑支撐重量及支撐結構上表面轉角處拉應力均很大，支撐結構材料易產生氫脆，采用堆焊凸臺作為填料格柵及催化劑支撐結構形式，并用有限元方法進行應力分析和校核。對比了常規計算方法和有限元分析法的優缺點，可為加氫反應器內件支撐方式和計算方法選擇提供參考。

加氫反應器； 支撐結構； 應力計算； 有限元分析

隨著石油化工行業的快速發展，加氫技術應用得越來越廣泛。目前，在各種加氫裝置中，固定床加氫反應器依然占據主導地位。對于雙床層或者三床層的厚壁加氫反應器，內部一般都設置有各種支撐結構來支撐反應器內件以及催化劑等。各種支撐結構都是直接與反應器本體相焊，屬于結構突變區域，必然存在較大的應力集中。在高溫、高壓的操作條件下，同時受所支撐構件的重力載荷，極易在此部位產生應力腐蝕和裂紋等損傷，影響加氫反應器的正常運行。

某加氫項目中的雙床層固定床加氫反應器直徑?1 400 mm，長度14 120 mm，設計壓力9.01 MPa，設計溫度390 ℃，氫分壓7.2 MPa。該反應器屬于高溫、高壓臨氫設備，操作介質中氫及硫化氫含量都比較高，設計采用板焊加內部雙層堆焊結構。一般反應器內部雙層堆焊E309L+E347或E309L+E316，分別針對高溫硫腐蝕和環烷酸腐蝕[1]。結合本加氫反應器的實際工況，最終確定反應器的母材選用12Cr2Mo1R板材，內部雙層堆焊E309L+E347，內件材料則采用耐腐蝕性能比較好的06Cr18Ni11Ti。文中對反應器支撐結構設計及應力計算進行簡要介紹。

1 液體分配盤支撐

1.1

支撐結構

液體分配盤、再分配盤等內件是保證操作介質進入反應器后，能夠均勻有效地分布在整個內徑截面積上的分配裝置。由于本反應器采用分配管結構，整個分配盤的整體重量較小，支撐結構受力也比較小，因此選用支持圈結構。傳統的支持圈結構有兩種，見圖1。

圖1 傳統支持圈結構

支持圈為06Cr18Ni11Ti鋼板直接加工而成，若采用圖1a結構，在母材表面堆焊E309L+E347后，直接將支持圈焊接在堆焊表層E347上，支持圈需開雙面坡口，采用雙面全焊透結構。若采用圖1b結構，母材表面堆焊E309L+E347時，在支持圈焊接位置不堆焊表層E347，將支持圈焊接在過渡層E309L上，然后再堆焊表層E347，上表面轉角處的表層E347要在最終焊后熱處理后再堆焊。

對于操作條件不苛刻，即反應溫度、壓力不高，氫分壓較小，硫含量很低且支持圈所支撐的重量不大時，可以選擇圖1a結構的支持圈焊接方式，該方式制造、加工簡單，省時省力。但對于大型反應器，操作條件苛刻，支撐重量較大，反應器制造完成后進行最終焊后熱處理時推薦的焊后熱處理規范為690 ℃×8 h，而最大焊后熱處理規范可以達到685～705 ℃×32 h[2]，該溫度區間正好處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度范圍內[3]。支持圈上表面轉角為受拉應力最大的部位，在經歷敏化溫度范圍的熱處理后，處于腐蝕性介質中的支持圈上表面轉角處極易發生晶間腐蝕，從而產生微裂紋，使焊縫金屬的強度、韌性等降低。

結合本反應器的操作情況及實際制造情況，最終選擇圖1b支持圈結構。

1.2支持圈應力校核

將支持圈簡化為一端固定的懸臂梁力學模型進行近似工程簡化計算[4]，簡化計算模型見圖2。

圖2 支持圈簡化計算模型

將總載荷F簡化為作用在懸臂梁上表面的均布載荷FJ：

(1)

式中，F為總載荷，N；a為支持圈寬度，mm；q為壓降載荷，N；mF為分配盤及支持件質量，mC為分配盤持液質量，kg。

支持圈截面的最大彎曲應力σb為[5]：

(2)

其中

式中，W為支持圈截面的抗彎截面模量，mm3；b為支持圈厚度，D為筒體內直徑，mm。

支持圈截面的切應力為：

(3)

支持圈的綜合應力為[6]：

(4)

應力校核條件為σ≤[σ]t[7]，[σ]t為設計溫度下支持圈材料的許用應力。

將反應器各參數F=34 920 N、a=50 mm、b=6 mm、D=1 400 mm代入式(1)～式(4)中，得σb=33.1 MPa、τ=1.32 MPa、σ=33.2 MPa<[σ]t=108.6 MPa，支持圈應力校核通過。

2 填料格柵及催化劑支撐

2.1支撐結構

如果反應器內部承載較輕的內件，可以采用支持圈結構支撐。但對于填料格柵和催化劑支撐來說，支撐重量大，支撐結構上表面轉角處的拉應力也會很大。支撐結構在臨氫操作環境中長期承重，且處于結構不連續處，材料容易產生氫脆[8]。設計時應盡量減少該部位的應力集中，保持支撐件金屬有較好的韌性。常見的填料格柵及催化劑支撐為堆焊凸臺形式，見圖3。

圖3 填料格柵及催化劑支撐凸臺結構

由圖3可以看出，支撐凸臺本身是用與母材相匹配焊材在鋼板上直接堆焊出來的，凸臺外部堆焊E309L+E347。與支持圈結構一樣，凸臺結構上表面轉角處的表層E347需在最終焊后熱處理之后再堆焊，也是為了避開奧氏體不銹鋼的敏化溫度，防止晶間腐蝕。凸臺外部的倒角隨堆焊層厚度變化，由外至內逐漸減小，保證整個凸臺上表面的平整。凸臺與內壁連接處為整個凸臺受拉應力最大的部位，必須減小此處的應力集中，保證較小的應變幅度，可以采用加大轉角半徑的方法加以解決。圖3中上表面轉角處內部堆焊凸臺和外部堆焊層的轉角半徑均為10 mm，就是為了保證較大的轉角半徑，以減小應力集中。

此外，在滿足強度尺寸的前提下，凸臺不宜設計得過厚，因為堆焊后焊縫金屬的強度高于母材的強度，但熱影響區的韌性低于母材及焊縫金屬的韌性。反應器經中間熱處理后，如果堆焊部位太大，則釋放的殘余應力有可能大于母材熱影響區的抗拉強度，從而在堆焊部位根部產生裂紋[9]。

2.2支撐凸臺應力分析[10]

本反應器的催化劑床層單床層壓降達0.25 MPa，且支撐的格柵和催化劑重量也較大，因此，采用ANSYS 15.0 workbench軟件進行支撐凸臺應力分析校核。

2.2.1建立模型

首先定義材料屬性，即設計溫度下的鋼材彈性模量、泊松比等，然后根據凸臺尺寸和反應器整體尺寸建立力學模型[11]。

圖4 支撐凸臺有限元模型

2.2.2施加邊界條件

模型對稱面施加無摩擦約束，模型下端面建立局部圓柱坐標系，約束下端面所有節點的軸向位移和周向位移，徑向位移不約束。筒體內壁及凸臺外表面施加內壓載荷，筒體上端面施加等效拉應力，凸臺上表面施加所需承載的所有載荷。凸臺有限元模型邊界條件加載圖見圖5。

圖5 凸臺有限元模型邊界條件加載圖

凸臺需承載的所有載荷FZ為：

FZ=Fy+(m1+m2+m3+m4)g

(5)

式中，Fy為壓降載荷，N；m1為格柵等支撐件質量，m2為催化劑堆質量，m3為瓷球堆質量，m4為催化

劑持液質量，kg。

2.2.3應力求解及分析

通過有限元求解得到的凸臺模型應力強度分布云圖見圖6。

圖6 凸臺模型應力強度分布云圖

由圖6可見，整個凸臺支撐結構應力強度最大的點位于凸臺與反應器內壁連接轉角處，上轉角處拉應力最大，下轉角處壓應力最大。

通過應力最大節點，沿橫穿壁厚的最短距離設定3條路徑(圖7)，分別分析每條路徑上的等效線性化應力[13]。

圖7 凸臺有限元模型分析路徑

由圖7可見，分析路徑1是通過應力最大節點，橫穿筒體壁厚的最短路徑；分析路徑2是通過應力最大節點，縱穿凸臺厚度的最短路徑；分析路徑3是通過凸臺上表面拉應力最大節點與凸臺下表面壓應力最大節點的最短路徑。3條分析路徑的應力評定結果見表1，表中PL為一次局部薄膜應力，Pb為一次彎曲應力，Q為二次應力，Smt=160.8 MPa[14]。

表1 凸臺有限元模型分析路徑應力分類及評定結果

由表1分析結果可以看出，凸臺厚度30 mm可以滿足本反應器的設計及操作要求。在實際設計過程中，填料支撐格柵的尺寸、凸臺的寬度基本可以確定，需要設計的主要尺寸為凸臺的厚度。在設計凸臺厚度時，可以根據實際承載情況多設定幾組厚度值，經應力分析后，綜合考慮材料、強度、加工制造量等因素，最終選擇合適的凸臺厚度。

3 結語

加氫反應器屬于高溫、高壓臨氫設備，內部支撐結構是設計中的重要部分。在應力計算時，常規的工程簡化計算方法結果偏保守，適合工程應用時簡單的應力校核。有限元計算方法計算結果精確，能夠針對局部的特定結構進行優化設計，更加節省材料，方便加工制造，但計算工作量較大。綜合考慮該反應器的操作工況、承載大小、腐蝕情況和加工制造等因素，對液體分配盤支撐、填料格柵及催化劑支撐選用了不同的支撐方式和應力計算方法，提高了設計效率。

該反應器經過6個月的開工試運行后，進行冬歇期的停工檢查。目視檢查支持圈及堆焊凸臺外表面光滑、平整，磁粉檢測及滲透檢測未發現裂紋等缺陷[16，17]，說明該反應器內件支撐結構設計合理，應力計算方法安全可靠。

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

(張編)

DesignandStressCalculationofInternalSupportStructureforHydrogenationReactor

CHENMo

(Xinjiang Design Branch of China Petroleum Engineering & Construction CORP，Urumqi 830019，China)

The support structure of liquid distributor plate，filler grille and catalyst in the hydrogenation reactor are introduced. The overall weight of the liquid distribution plate and the force of supporting structure are all small. The structure of support ring welding on the surfacing transition layer is selected and the simplified calculation method is used to check the stress. The weight of filler grille and catalyst as well as the tensile stress at the top corner of support structure are very large，support structural materials prone to hydrogen embrittlement，the surfacing boss is used as the filler grille and catalyst support structure， and the finite element method is used for stress analysis and verification. The advantages and disadvantages of the conventional calculation method and the finite element analysis method are compared；it provides reference for the support mode and calculation method of hydrogenation reactor internals.

hydrogenation reactor； support structure； stress calculation； finite element method analysis

TQ051.3； TE966

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.006

1000-7466(2017)03-0026-05①

2016-12-10

陳 默(1985-)，男(回族)，新疆烏魯木齊人，工程師，學士，一直從事過程設備設計工作。