加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化現(xiàn)狀分析

于磊

摘要：隨著石油和化工等行業(yè)的迅速發(fā)展，加氫反應(yīng)壓力容器的設(shè)計(jì)與制造愈發(fā)受到研究者的重視。加氫反應(yīng)器是壓力容器的一種，在原油煉制領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，其工作和使用條件十分嚴(yán)格，經(jīng)常伴隨著高溫和高壓的工作環(huán)境，在實(shí)際工作時(shí)，反應(yīng)器承受著巨大的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。另外，煉油是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，反應(yīng)器也面臨著被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。因此，從安全性來(lái)考慮，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和制造要求非常嚴(yán)格。然而，目前加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和分析方法主要依靠借助工程經(jīng)驗(yàn)手工完成，而且為了防止安全事故，設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)尺寸的富余量很大，這就導(dǎo)致加氫反應(yīng)器的制造效率很低且成本很高。針對(duì)這一問(wèn)題，本文從加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面著手系統(tǒng)地評(píng)述國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，并給出需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：加氫反應(yīng)器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化設(shè)計(jì);制造效率

一、引言

隨著全球工業(yè)4.0以及中國(guó)制造2025的提出，我國(guó)煉油行業(yè)得到了更加迅猛的發(fā)展，總體規(guī)模隨著各大產(chǎn)業(yè)對(duì)能源的需求增加而越來(lái)越大。根據(jù)文獻(xiàn)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在世界煉油各國(guó)中排名第二，同時(shí)隨著近些年國(guó)家海洋戰(zhàn)略的發(fā)展需求對(duì)煉油行業(yè)的促進(jìn)發(fā)展，我國(guó)一躍成為煉油能力增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家之一。

在煉油工業(yè)中，決定煉油質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是：化學(xué)工藝和加氫反應(yīng)器。前者包含加氫裂化工藝和加氫脫硫工藝，隨著化工技術(shù)的不斷發(fā)展，這兩項(xiàng)工藝技術(shù)不斷在發(fā)展進(jìn)步，已經(jīng)基于趨于成熟穩(wěn)定。新時(shí)代煉油工業(yè)的需求更多的是對(duì)加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)與制造工藝水平的不斷提高。由于煉油行業(yè)潛在的高污染及低安全性的風(fēng)險(xiǎn)，愈來(lái)愈多的學(xué)者開(kāi)始重視設(shè)計(jì)和制造方面的技術(shù)。

傳統(tǒng)的加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)思路是這樣的：基于簡(jiǎn)化模型進(jìn)行粗略的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，大多時(shí)候根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，這樣得到的結(jié)果往往可信度不高，往往需要根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)物模型的驗(yàn)證。往往會(huì)導(dǎo)致加氫反應(yīng)器制造過(guò)程中重復(fù)任務(wù)多，周期偏長(zhǎng)、效率低下的劣勢(shì)。另外一方面，為了保證加氫反應(yīng)器的安全性，設(shè)計(jì)的時(shí)候壁厚盡量大，安全系數(shù)較大，往往導(dǎo)致加氫反應(yīng)器比較笨重，質(zhì)量偏大，成本較高。這也不符合當(dāng)今社會(huì)背景下倡導(dǎo)的節(jié)約資源、提高產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)及近年來(lái)蓬勃發(fā)展，基于有限元分析的結(jié)構(gòu)校核以及基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路能有效的提高加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)可靠度，以及實(shí)現(xiàn)加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計(jì)。

本文以加氫反應(yīng)器的安全性和經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)兩個(gè)方面的角度為出發(fā)點(diǎn)，基于有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，進(jìn)行這兩個(gè)方面的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究綜述分析，力求為加氫反應(yīng)器相關(guān)工作者提供一個(gè)總結(jié)性的參考。

二、加氫反應(yīng)器發(fā)展概況

加氫反應(yīng)器的研究始于1920s年代，最有代表性的結(jié)構(gòu)：

從圖中可以看出，目前的加氫反應(yīng)器一般為了適用嚴(yán)格的工作條件，一般采用細(xì)長(zhǎng)圓柱型結(jié)構(gòu)，密封一般采用雙錐球型。其工作原理如下：油與氣體從頂部進(jìn)口管進(jìn)入，在容器內(nèi)部催化劑層發(fā)生反應(yīng)，由冷氫的循環(huán)流動(dòng)負(fù)責(zé)帶走大部分熱量，底部卸料管負(fù)責(zé)卸載多余的雜質(zhì)等。

常見(jiàn)的加氫反應(yīng)器按照反應(yīng)器使用狀態(tài)可以分為冷壁機(jī)構(gòu)和熱壁結(jié)構(gòu)兩種形式，二者典型的特征及應(yīng)用。

單從結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，加氫反應(yīng)器是從單層板式的結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)展的，后續(xù)為了應(yīng)對(duì)生產(chǎn)率的需求，出現(xiàn)了多容器結(jié)構(gòu)，隨著焊接和冶金技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，單層鍛造結(jié)構(gòu)成為主流。為了解決腐蝕和過(guò)熱的問(wèn)題，壁面結(jié)構(gòu)逐漸由最初的冷壁結(jié)構(gòu)發(fā)展成為目前占統(tǒng)治地位的熱壁結(jié)構(gòu)。冷壁結(jié)構(gòu)雖然成本較低，但是容易發(fā)生損壞和脫落現(xiàn)象，而熱壁加氫反應(yīng)器可以很好的避免這些缺點(diǎn)。

三、加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計(jì)

隨著中國(guó)制造2025的提出，加氫反應(yīng)器已經(jīng)逐步向著高溫、耐腐蝕等極端方向發(fā)展，傳統(tǒng)串行的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)越來(lái)越難滿(mǎn)足需求。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往借助手工或者經(jīng)驗(yàn)來(lái)識(shí)別加氫反應(yīng)器的總體結(jié)構(gòu)，為了防止安全事故，設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)尺寸的富余量很大，這就導(dǎo)致加氫反應(yīng)器的制造效率很低且成本很高，這顯然不符合當(dāng)今制造業(yè)向著綠色化的發(fā)展趨勢(shì)，隨著現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展，學(xué)者們也已經(jīng)將優(yōu)化設(shè)計(jì)與加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，從輕量化的角度出發(fā)，在滿(mǎn)足加氫反應(yīng)器安全性能的前提下，盡量減少其質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是其壁厚的設(shè)計(jì)，屬于優(yōu)化設(shè)計(jì)的范疇，其基本原理是以整個(gè)加氫反應(yīng)器的質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，以其結(jié)構(gòu)尺寸為約束變量，加氫反應(yīng)器滿(mǎn)足的安全性為基本約束，通過(guò)數(shù)學(xué)規(guī)劃求解最佳的壁厚值。

目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)上述研究可知，加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計(jì)是涉及數(shù)學(xué)建模和非線性?xún)?yōu)化算法等多項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)挑戰(zhàn)性課題。數(shù)學(xué)建模涉及到反應(yīng)器的質(zhì)量描述，約束條件描述（包括反應(yīng)器的強(qiáng)度、剛度、水壓應(yīng)力等多項(xiàng)限制）。雖然加氫反應(yīng)器外表總體看起來(lái)是一個(gè)圓柱體，但由于涉及到多方面的功能（加氫、冷卻、進(jìn)排氣口等等），決定了其結(jié)構(gòu)局部的不規(guī)則形，且殼體也是多層結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于其質(zhì)量的準(zhǔn)確描述也是一個(gè)難點(diǎn)。

另外一方面，從加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，需要進(jìn)行總體塑性變形校核、漸增塑性變形設(shè)計(jì)校核、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)校核、疲勞設(shè)計(jì)校核、靜平衡設(shè)計(jì)校核等。理論上來(lái)講，優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候數(shù)學(xué)建模要考慮的約束應(yīng)該完全包括以上五個(gè)方面，但是隨著約束的增加，又給優(yōu)化求解帶來(lái)了困難，如何在約束表達(dá)與數(shù)值計(jì)算等兩個(gè)方面之間找到平衡是難點(diǎn)。上述文獻(xiàn)的研究目前基本都只考慮了總體塑性變形校核，只有少數(shù)考慮了一些實(shí)際工作時(shí)水壓引起的疲勞校核。解決這個(gè)問(wèn)題有兩種思路，一種是根據(jù)設(shè)計(jì)加氫反應(yīng)器的實(shí)際型號(hào)，參考設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將約束分為主次，主約束作為優(yōu)化問(wèn)題所要考慮的目標(biāo)約束，次約束作為優(yōu)化設(shè)計(jì)后進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算的參考。另外一種思路就是綜合考慮所有約束，研究多約束非線性規(guī)劃算法。

從非線性規(guī)劃角度來(lái)看，結(jié)合加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展趨勢(shì)包含以下幾個(gè)方面：

（1） 基于多離散變量的算法研究：由于加氫反應(yīng)器的逐漸多功能性的發(fā)展，優(yōu)化中的控制變量及狀態(tài)變量只能以多個(gè)離散化變量來(lái)描述，而不能以單一參數(shù)來(lái)進(jìn)行尺度描述，因此解決目前離散化多變量的取值問(wèn)題是目前急需解決的首要問(wèn)題;

（2） 基于多目標(biāo)設(shè)計(jì)的算法研究：上述中已經(jīng)提到理想的輕量化設(shè)計(jì)的思想是考慮所有約束變量進(jìn)行優(yōu)化，這就需要優(yōu)化的時(shí)候追求多項(xiàng)指標(biāo)函數(shù)，然而，實(shí)際求解過(guò)程中得到的目標(biāo)函數(shù)有可能是互相矛盾的，這就給數(shù)值計(jì)算帶來(lái)了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的非線性規(guī)劃算法就已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)下的需求。因此，發(fā)展模糊智能控制優(yōu)化算法已經(jīng)成為當(dāng)下的一個(gè)研究熱點(diǎn);

（3） 大規(guī)模優(yōu)化算法研究：針對(duì)離散化多變量的求解問(wèn)題，精度與效率是一個(gè)矛盾。為了追求求解的精度，往往需要將離散化的有限元單元數(shù)量劃分的越多越好，這就會(huì)導(dǎo)致加氫反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)變量可能到達(dá)成千上萬(wàn)的量級(jí)，勢(shì)必會(huì)給優(yōu)化算法的全局收斂性帶來(lái)相當(dāng)大的考驗(yàn)。針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題的稀疏性和分治策略是時(shí)下的一個(gè)研究熱點(diǎn);

（4） 優(yōu)化的全局收斂性問(wèn)題：優(yōu)化的本質(zhì)是求解某個(gè)域內(nèi)的極值問(wèn)題，目前多數(shù)算法并不能保證這個(gè)極值在全域內(nèi)的有效性，除非這個(gè)優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題。而加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計(jì)往往可能是一個(gè)非凸優(yōu)化問(wèn)題，加上它的高維度，就更難保證全局收斂性。目前，非迭代的全域最優(yōu)化算法給解決這個(gè)難題提供了一種全新的思路。

四、加氫反應(yīng)器的有限元分析

加氫反應(yīng)器在實(shí)際煉油過(guò)程中，由于其煉油的高反應(yīng)條件，由于高溫高壓的作用，非常容易發(fā)生兩種破壞：一是氫化物導(dǎo)致的腐蝕現(xiàn)象;二是對(duì)殼體材料的強(qiáng)度破壞。由于這兩方面問(wèn)題引起的安全事故突發(fā)率很高，因此必須在加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮如何提高其安全性。其核心本質(zhì)就是首先要保證結(jié)構(gòu)是安全，其次是要盡量避免局部應(yīng)力集中的情況。

為了解決這兩個(gè)方面的問(wèn)題，傳統(tǒng)的加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法有兩種思路，一種是通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到加氫反應(yīng)器的應(yīng)力集中區(qū)域主要在結(jié)構(gòu)連接處，通過(guò)對(duì)制造材料的選取來(lái)避免應(yīng)力集中，材料要求耐高溫，耐腐蝕、耐高壓。另外一種思路是依靠經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)計(jì)算來(lái)保證加氫反應(yīng)器的靜強(qiáng)度要求。前者的問(wèn)題是需要大量的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于批量生產(chǎn)的舊型號(hào)是可以的，對(duì)于新產(chǎn)品是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。后者的問(wèn)題是不確定性和精度太差，同時(shí)也無(wú)法驗(yàn)證在實(shí)際高溫、高壓下的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力和動(dòng)態(tài)的疲勞強(qiáng)度要求。

隨著計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)的發(fā)展，有限元分析的思想為解決加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)問(wèn)題帶來(lái)全新的解決方法。加氫反應(yīng)器有限元分析的基本原理是基于建立的三維實(shí)體模型，在商業(yè)化有限元分析軟件中如ANSYS或ABAQUS等，根據(jù)所提供的實(shí)體單元進(jìn)行離散化網(wǎng)格劃分，同時(shí)考慮加氫反應(yīng)器的實(shí)際負(fù)載和約束條件，借助有限元計(jì)算模塊，獲取反應(yīng)器不同位置的應(yīng)力云圖，以評(píng)估反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行加氫反應(yīng)器的有限元分析相關(guān)的研究：

從表中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，加氫反應(yīng)器的有限元不僅僅能夠分析基本的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變，同時(shí)能夠分析動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，甚至包括考慮工作條件下的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)特性。有限元分析涉及的核心技術(shù)主要包括：反應(yīng)器數(shù)字化建模、三維實(shí)體網(wǎng)格劃分、有限元計(jì)算方法等，在實(shí)際分析過(guò)程中，要根據(jù)分析對(duì)象合理選擇這些關(guān)鍵技術(shù)。

另外一方面，從表中可以看出，有限元分析可以與優(yōu)化設(shè)計(jì)集中同步進(jìn)行，借鑒輕量化設(shè)計(jì)的思想，即就是不再將質(zhì)量看作是優(yōu)化的唯一目標(biāo)，可以將容易產(chǎn)生破壞位置的應(yīng)力、溫度、壓力等任意一個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，利用有限元分析軟件提供的模型進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免應(yīng)力應(yīng)變集中等現(xiàn)象，有效的提高加氫反應(yīng)器的使用壽命。

五、結(jié)論

目前加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和分析方法主要依靠借助工程經(jīng)驗(yàn)手工完成，而且為了防止安全事故，設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)尺寸的富余量很大，這就導(dǎo)致加氫反應(yīng)器的制造效率很低且成本很高。針對(duì)這一問(wèn)題，本文從加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面著手系統(tǒng)地評(píng)述國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，主要結(jié)論如下：

（1） 從結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，隨著焊接和冶金技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，單層鍛造結(jié)構(gòu)成為加氫反應(yīng)器的主流結(jié)構(gòu)，壁面結(jié)構(gòu)逐漸由最初的冷壁結(jié)構(gòu)發(fā)展成為目前占統(tǒng)治地位的熱壁結(jié)構(gòu)，可以有效的解決腐蝕和過(guò)熱的問(wèn)題;

（2） 加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計(jì)可以有效的提高加氫反應(yīng)器的制造效率，降低成本。多離散變量質(zhì)量描述、靜動(dòng)態(tài)多約束規(guī)劃、大規(guī)模全局收斂性算法的研究是未來(lái)主要的研究熱點(diǎn);

（3） 加氫反應(yīng)器的有限元分析可以保證結(jié)構(gòu)安全，且可以盡量避免局部應(yīng)力集中的情況?？紤]溫度場(chǎng)及流場(chǎng)特性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。另外，優(yōu)化設(shè)計(jì)與有限元分析相結(jié)合的思想可以有效避免加氫反應(yīng)器應(yīng)力應(yīng)變集中等現(xiàn)象，提高加氫反應(yīng)器的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

費(fèi)華偉，陳蕊. 2017年中國(guó)煉油工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2018（5）.

金云，費(fèi)華偉.中國(guó)煉油工業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2017，25（5）：61–66.

金云，朱和.調(diào)整轉(zhuǎn)型升級(jí) 適應(yīng)新常態(tài) 引領(lǐng)新常態(tài)——中國(guó)煉油工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及“十三五”發(fā)展趨勢(shì)[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2015，23（5）：14–21.

陳崇剛.我國(guó)加氫反應(yīng)器制造面臨的課題[J].煉油技術(shù)與工程，2011，41（7）：16–20.

聶潁新.加氫反應(yīng)器等大型石化容器制造的發(fā)展現(xiàn)狀[J].壓力容器，2010，27（8）：33–39.

張德義.加快我國(guó)加氫工藝和技術(shù)的發(fā)展[J].煉油技術(shù)與工程，2002，32（3）：1–6.

王玉臺(tái).加氫反應(yīng)器制造技術(shù)的新進(jìn)展[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2006，27（5）：8–9.

Liu P F， Chu J K， Hou S J， et al. Numerical simulation and optimal design for composite high-pressure hydrogen storage vessel： A review [J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2012， 16（4）： 1817–1827.

Carbonari R C， Mu?oz-Rojas P A， Andrade E Q， et al. Design of pressure vessels using shape optimization： An integrated approach [J]. International Journal of Pressure Vessels & Piping， 2011， 88（5）： 198–212.

徐林，遲明高.多層包扎壓力容器設(shè)計(jì)分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（2）：26–26.

王科，趙清萬(wàn)，王常青，等.國(guó)內(nèi)首臺(tái)千噸級(jí)板鍛加氫反應(yīng)器若干制造檢驗(yàn)關(guān)鍵問(wèn)題討論[J].化工管理，2014（20）：155–156.

李海三.熱壁加氫反應(yīng)器的檢測(cè)方法和剩余壽命分析[D].武漢理工大學(xué)，2013.

王科，趙清萬(wàn)，王常青，等.國(guó)內(nèi)首臺(tái)千噸級(jí)板鍛加氫反應(yīng)器若干制造檢驗(yàn)關(guān)鍵問(wèn)題討論[J].化工管理，2014（20）：155–156.

居敏.預(yù)加氫反應(yīng)器制造中的難點(diǎn)及其處理措施[J].壓力容器，2012，29（12）：76–78.

陳連.基于SA算法的壓力容器離散變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].壓力容器，2007，24（2）：15–18.

馬天兵，孫兵，杜菲.基于ANSYS對(duì)壓力容器管板厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2004（12）：23–25.

劉瑜，馬良.量子蟻群算法在壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械強(qiáng)度，2011，33（5）：786–790.

祝用華，張奕，楊節(jié)標(biāo).壓力容器離散變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)研究及其LINGO實(shí)現(xiàn)[J].能源研究與利用，2009（6）：15–17.

田會(huì)方，蔡婷，王冰山.基于ANSYS的壓力容器壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2007，35（6）：201–202.