帶有保溫和耐火層加氫反應器的局部溫度及熱應力分析

＊王 廷

（安徽華東化工醫藥工程有限責任公司上海分公司 上海 201315）

引言

加氫反應一般是指油品在高壓氫環境下進行催化改質反應的統稱，在高溫及催化劑條件下使原料油品中的烯烴發生飽和，并脫除硫、氮、氧等有害成分，脫硫反應生成硫化氫和脫氮反應生成氨。此外，加氫反應在催化劑的條件下進行放熱反應，進一步使床層溫度持續升高，但又不能出現熱量的不均勻分布。而h段是加氫反應器下封頭與裙座連接處的典型高溫度和應力區，主要是由于此結構產生了熱傳導、熱對流和熱輻射現象，而生成了較高的熱應力。因此，對該部位進行溫度及熱應力分析評定是非常重要的。已有很多研究者對加氫反應器h段進行了應力分析及結構設計。

其中，徐君臣等人采用APDL（Ansys Parametric Design Language）語言建立了加氫反應器的部分三維有限元模型，對其在溫度、機械、地震和風載荷耦合作用下進行了應力分析，并按照JB 4732標準對h型部位進行了應力評定。崔靜等人采用有限元法建立了加氫反應器群座連接處的二維有限元模型，并進行了應力分析與評定，確定合理厚度。張智亮等人采用有限元法對加氫反應器的群座支撐區進行優化設計，考慮了保溫層和群座厚度不同時，其當量應力值的變化。

以上研究者均利用有限元分析軟件對加氫反應器的h型段進行優化分析和應力評定，考慮的載荷主要是機械、溫度、風和地震載荷，而未考慮h段內熱輻射對其熱應力分布的影響，因h段儲存高溫氣體，而無氣體流動，產生的封閉空間可能會增大加氫反應器h段的熱應力，產生局部過熱現象。此外，加氫反應器外部有硅酸鹽保溫層，同時還有耐火層，都會阻礙加氫反應器的散熱而導致熱應力集中，影響容器的安全使用。因此需要開展考慮熱輻射載荷，對帶有保溫和耐火層加氫反應器的溫度和熱應力分析，并對其進行應力評定，對加氫反應器h型部位的設計及安全使用提供一定的參考數據。

本文采用Ansys有限元分析軟件，對加氫反應器的h型部位進行溫度及熱應力分析，形成了帶有保溫和耐火層容器熱應力計算分析策略，最后依據JB 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》（2005確認版）中，關于彈性應力分析法的評估規則對h段進行考核，以確定結構是否滿足強度要求。

1.有限元模型及材料參數

為了得到加氫反應器h段的溫度分布，建立溫度場分析有限元模型，涵蓋保溫層、耐火層、上部筒節、過渡段、錐形封頭、接管、裙座上段和裙座下段等部件，選用遼寧海化石油化工有限公司潤滑油高壓加氫項目30萬噸/年潤滑油加氫裝置中的加氫處理反應器建立有限元模型，其工作參數與設計參數如表1所示。選擇Solid278單元對加氫反應器模型進行網格劃分，帶有保溫和耐火層的加氫反應器的有限元模型如圖1（a）所示。

表1 該設備工作參數與設計參數

圖1

繼而對加氫反應器h段進行熱應力分析，建立熱應力分析有限元模型。該模型的組成與溫度場分析有限元模型相似，但缺少保溫和耐火層，如圖1（b）所示。

表1中所有材料的與溫度相關的彈性模量及平均線膨脹系數參照JB 4732-1995附錄G的要求，而熱傳導參數、密度和泊松比等特性參數數據，則參照ASME-SECTIONⅡPART-D。此模型中所用的材料參數數據如表2～表5所示。

表2 溫度相關的彈性模量參數（單位：1000MPa）

表3 線膨脹系數參數（單位：10-6/℃）

表4 密度和泊松比參數（ASME II-D-2015）

表5 熱導率參數（ASME II-D-2015）（單位：W/（m·℃））

2.邊界條件

對加氫反應器的溫度場分析模型，邊界條件中關于熱輻射的設置稍有改變，為了實現對h段的熱輻射分析，用AUX12熱輻射矩陣生成器，分析面與面之間的熱輻射，其主要步驟如下：（1）設置有效的輻射面積：選擇h段的輻射面，然后選擇該輻射面上的對應節點，再建立Shell131單元；（2）生成熱輻射矩陣單元：在有限元軟件中的Radiation選項中，定義發射率默認為1、Stefan-Boltzmann系數為5.67×10-8、幾何維數為三維等，確定角系數的方式（Hidden），并輸出熱輻射矩陣單元；（3）使用輻射矩陣：定義新的單元類型Matrix50，并讀入超單元矩陣。

對于熱應力分析模型的邊界條件，主要包括：

（1）因裙座固定在地面，對其底板施加全約束；

（2）加氫反應器整體的溫度場，應由溫度場的結果文件直接導入；

（3）對于整體模型的內表面，施加其工作載荷，即為20.09MPa；

（4）因三維模型只是加氫反應器h段的截取部位，需對模型的頂部環形斷面施加平衡面載荷，計算公式如下，即為-73.95MPa：

（5）模型的下部接管斷面：施加平衡面載荷-19.79MPa：

（6）模型的重力：重力加速度9.8m/s2；

（7）地震載荷和風載荷：根據JB4710-2005的規定，風載荷和地震載荷的考慮按照如下：地震載荷+25%×風載荷；100%風載荷。基于上述原則，發現100%的風載荷彎矩更大，因此本模型分析中直接采用這種更為保守的情況進行分析。在模型的頂部斷面中間建立節點，并生成質量單元Mass21，并直接加載彎矩（總彎矩為372000N·m）。

3.結果分析

根據以上有限元模型的建立、材料參數的設置和邊界條件的加載，得到最終的有限元分析結果。此節一共分為三大部分，分別為溫度場分布、熱應力分布和應力評定。

（1）溫度場分布。經過計算，得到h段模型的溫度場分布，如圖2所示。可以看出，模型的最高溫度約為468℃，最低溫度約為-19℃。在h段，有較為突出的溫度梯度；且熱輻射的作用使得高溫度區域的范圍更大。這也是該區域熱應力較高的主要原因，具體分析參照3.2部分。

圖2 h段模型的溫度場分布

（2）熱應力分布。經過計算，得到h段的應力分布，如圖3所示。可以看出，結構模型的最高應力在圓筒上部斷面，且該應力過高。其原因在于該斷面附近存在一定的溫度差別，而施加彎矩的方式為剛性區域方法，使得該區域的應力不能體現實際應力。另一方面，我們關注的重點區域為h段，上部圓筒斷面的應力分布不影響下部的應力分布。因此，下文重點研究該部位的應力分布。

圖3 h段模型的熱應力分布

（3）應力評定。對工作載荷作用下該設備h段結構進行有限元分析，并根據JB 4732-1995（2005確認版），對分析結果進行應力強度評定。經過應力強度高應力區域，并選擇9條路徑進行應力評定，Path 1為穿過下封頭厚度方向高應力區的路徑，Path 2-4和Path 7-9為穿過裙座厚度方向且靠近h段的路徑，Path 5為穿過裙座厚度方向且遠離h段的路徑，Path 6為穿過下封頭接管變徑厚度方向的路徑，如圖4所示。評定結果表明，h段滿足應力強度要求。

圖4 應力評定路徑

4.結論

本文以帶有保溫和耐火層加氫反應器為研究對象，考慮了機械、風和地震載荷以及熱輻射對加氫反應器h段的影響，基于彈性分析方法和評估策略，評價了h段的溫度分布和熱應力強度。經過Ansys有限元數值模擬計算，得到如下結論：

（1）形成了對加氫反應器熱像部位應力分析評定策略：先建立加氫反應器、保溫層和耐火層的有限元模型，并考慮熱輻射載荷的作用，外加準確的邊界條件，得到整個容器的溫度分布；再建立加氫反應器的獨立模型，在機械、風、地震和溫度載荷的作用下，計算得到熱應力分布結果。

（2）根據JB 4732-1995（2005確認版）中關于彈性應力分析法的評估策略，對h段進行了應力強度評定，結果表明：工作載荷條件下，考慮溫度和耐火層的h段滿足應力強度要求。