加氫反應(yīng)器油氣出口與卸料口的安全性能分析與評(píng)定

劉 姝，賈 敏，朱向哲

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

加氫反應(yīng)器油氣出口與卸料口的安全性能分析與評(píng)定

劉 姝，賈 敏，朱向哲

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

加氫反應(yīng)器是石油煉制過程中的重要及危險(xiǎn)的設(shè)備，加氫反應(yīng)器的油氣出口與卸料口接管方式一般是嵌入式的結(jié)構(gòu)?；谟邢拊治鰧?duì)加氫精致反應(yīng)器R101的油氣出口與卸料口部分進(jìn)行應(yīng)力分析，找出其相對(duì)最危險(xiǎn)的部位，在其部位取應(yīng)力評(píng)定處理線運(yùn)用相關(guān)壓力容器的理論對(duì)其檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，從而分析計(jì)算。

加氫反應(yīng)器；油氣出口與卸料口；有限元分析

為了獲得更高質(zhì)量的石油化工原料等產(chǎn)品，石油加工工業(yè)中設(shè)計(jì)了加氫工藝裝置—加氫反應(yīng)器，加氫反應(yīng)器通常在條件苛刻的環(huán)境下工作，所以反應(yīng)器的鋼材一般都采用造價(jià)昂貴的抗氫鋼材，因此加氫反應(yīng)器的安全性是十分重要的。要怎樣保證其安全運(yùn)行一直重要課題，據(jù)專業(yè)人員通過對(duì)加氫反應(yīng)器的內(nèi)外表面及壁厚檢測、無損探傷、金相檢查和其化學(xué)成分分析等檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接管與筒體間容易發(fā)生失效[1,2]。加氫反應(yīng)器油氣出口與卸料口是加氫反應(yīng)器的重要的部位，對(duì)此部位的安全評(píng)價(jià)也是很重要的?，F(xiàn)以加氫精致反應(yīng)器R101為例，通過建立其有限元數(shù)值模型同時(shí)進(jìn)行應(yīng)力分析。

1 加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸及有限元分析模型

加氫反應(yīng)器主要用于石油工業(yè)中。加氫反應(yīng)器一般采用球形封頭，結(jié)構(gòu)細(xì)長，通長氫氣和原料油從頂端進(jìn)入加氫反應(yīng)器，生成的成品油經(jīng)反應(yīng)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(shí)卸料[3]。加氫反應(yīng)器的接管方式一般是嵌入式焊接結(jié)構(gòu)。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(shí)體模型如圖1所示。加氫反應(yīng)器底部整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hydrogenation reactor structure diagram

2 有限元分析計(jì)算

2.1 有限元分析簡介

ANSYS是有限元分析軟件，它的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的，通常可以在機(jī)械、化工等領(lǐng)域的使用，有限元是數(shù)值分析方法的一種為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)過程分析提供了一種精確的手段，在壓力容器分析中經(jīng)常需要有限元法來進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，與其他分析方法相比，有限元方法大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)間和資金[3]。

圖2 加氫反應(yīng)器底部整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Hydrogenation reactor bottom structure

2.2 材料特性及網(wǎng)格劃分

本文選取文加氫精致反應(yīng)器R101為例進(jìn)行分析討論，加氫精致反應(yīng)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(yīng)器主要受壓件材料為/4Cr-1Mo,切為彈性材料。

加氫反應(yīng)器底部是三維實(shí)體模型，可以采用3D實(shí)體單元，為了提高網(wǎng)格精準(zhǔn)性，本結(jié)構(gòu)采用了Solid95單元，同時(shí)加氫反應(yīng)器先采取對(duì)筒體部分采用手動(dòng)合理定制單元大小，之后對(duì)封頭和開孔部分進(jìn)行掃略。其網(wǎng)格劃分如圖3，共劃分了6 366個(gè)單元和33 775個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 加氫反應(yīng)器底部網(wǎng)格劃分Fig.3 Hydrogenation reactor bottom grid

2.3 分析計(jì)算

首先需要加氫反應(yīng)器底部進(jìn)行載荷和約束，應(yīng)該在筒體下約束Y方向的位移，在模型前端面施加對(duì)稱約束，在容器內(nèi)壁施加內(nèi)壓8.14 MPa，在容器接管施加內(nèi)壓，該內(nèi)壓是由容器內(nèi)最高內(nèi)壓和筒體內(nèi)徑?jīng)Q定的，根據(jù)拉美公式可以計(jì)算的出軸向平衡面載荷。

通過有限元計(jì)算分析可以得出最高工作應(yīng)力下的應(yīng)力云圖，如圖4所示，由此圖可以得出最大應(yīng)力強(qiáng)度往往發(fā)生在封頭和接管之處，取加氫反應(yīng)器底部接管的內(nèi)外壁進(jìn)行應(yīng)力線評(píng)定處理，如圖4，同時(shí)用ANSYS進(jìn)行線性處理可得到該處理線上的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及應(yīng)力強(qiáng)度等值。

圖4 加氫反應(yīng)器應(yīng)力云圖Fig.4 Hydrogenation reactor stress nephogram

通過以上分析選取了2個(gè)危險(xiǎn)路徑，根據(jù)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(yīng)力為局部薄膜應(yīng)力，故該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行如下的應(yīng)力評(píng)定[4]，盈利分類和評(píng)定結(jié)果圖表1。

表1 各個(gè)應(yīng)力評(píng)定路徑的結(jié)果Table 1 Each assessment of stress path results

3 結(jié) 論

通過簡單的敘述可看出，加氫反應(yīng)器在工業(yè)發(fā)展中占有重要的位置，同時(shí)基于有限單元分析對(duì)加氫精致反應(yīng)器R101進(jìn)行了計(jì)算和分析，得出結(jié)果如下：

（1）最強(qiáng)應(yīng)力發(fā)生的地方往往是封頭和管件的交接之處，危險(xiǎn)系數(shù)也是極高的。

（2）通過ANSYS有限單元分析得出該模型滿足強(qiáng)度要求，是安全的。

上述分析表明：加氫反應(yīng)器預(yù)先使用Ansys有限元數(shù)值分析方法獲得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并根據(jù)得到的準(zhǔn)確信息對(duì)其結(jié)構(gòu)性能等進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)為此部件在實(shí)際工況中提供了可靠的依據(jù)的工作性，還大大的減少制造生產(chǎn)的損失。

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

［2］ 劉值明.熱壁加氫反應(yīng)器接管裂紋斷裂與家全評(píng)價(jià)研究[D].黑龍江省大慶市:大慶石油學(xué)院,2005.

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

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

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）

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.

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

TQ 052

： A

： 1671-0460（2015）10-2441-02

2015-03-28

劉姝（1988-），女，遼寧人，在遼寧石油化工大學(xué)就讀研究生，研究方向：安全工程與科學(xué)。E-mail：771991747@qq.com。