淺談加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

范強(qiáng)強(qiáng)*

（安徽實(shí)華工程技術(shù)股份有限公司）

0 前言

隨著節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格，各行業(yè)對(duì)油品質(zhì)量的要求也不斷提高，給石化行業(yè)的工藝和設(shè)備帶來(lái)了挑戰(zhàn)。加氫精制工藝可以脫除原油中的硫、氧、氮和金屬等雜質(zhì)，是目前改善和提高石油產(chǎn)品質(zhì)量的主要工藝[1]。加氫精制反應(yīng)器是加氫裝置中的核心設(shè)備[2]，其作用是為原油和氫氣在一定的溫度、壓力以及催化劑作用下進(jìn)行反應(yīng)提供場(chǎng)所。加氫精制反應(yīng)器造價(jià)昂貴，且長(zhǎng)期處于高溫、高壓、臨氫和硫化氫腐蝕的特殊介質(zhì)環(huán)境中，其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)裝置的生產(chǎn)安全，因此，加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其特殊性，在選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造要求等方面，嚴(yán)格遵照安全生產(chǎn)要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加氫精制反應(yīng)器的工作原理是將原料和氫氣混合后從塔頂送入反應(yīng)器，在高溫、高壓條件下，經(jīng)催化劑進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)器中部通入冷氫，防止反應(yīng)物料過(guò)熱。加氫精制反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)可見(jiàn)圖1，其主要零部件包括筒體、封頭、接管法蘭和裙座。加氫反應(yīng)器的常規(guī)設(shè)計(jì)流程可見(jiàn)圖2。根據(jù)工藝專業(yè)提供的設(shè)計(jì)條件，確定設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇合適的材料，對(duì)零部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，確定結(jié)構(gòu)尺寸，然后對(duì)塔器整體進(jìn)行強(qiáng)度校核，給出詳盡而嚴(yán)密的技術(shù)說(shuō)明和制造、檢驗(yàn)技術(shù)要求。

圖1 加氫反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)

圖2 加氫反應(yīng)器的常規(guī)設(shè)計(jì)流程

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

以某臺(tái)反應(yīng)器為例，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)可見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 材料選擇

高溫、高壓條件下的加氫反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)形式為鍛焊結(jié)構(gòu)。選擇材料時(shí)主要考慮因素包括耐高溫氫腐蝕和硫化氫腐蝕。根據(jù)API RP941—2016 標(biāo)準(zhǔn)中的納爾遜曲線[3]，Cr-Mo 鋼具有優(yōu)秀的抗氫腐蝕性能。12Cr2Mo1 是強(qiáng)度最高的Cr-Mo 鋼，其在高溫下時(shí)強(qiáng)度有所降低。12Cr2Mo1V 材料是在12Cr2Mo1材料的基礎(chǔ)上添加V 元素后的改進(jìn)材料，可顯著提高其耐高溫性能，同時(shí)減小反應(yīng)器的質(zhì)量。當(dāng)溫度超過(guò)260 ℃時(shí)，為了防止材料發(fā)生H2S 腐蝕，還需要在內(nèi)壁堆焊耐腐蝕、抗裂性能好的奧氏體不銹鋼（E309L+E347）?？紤]到腐蝕裕量，堆焊層厚度選取7.5 mm，其中過(guò)渡層厚度不小于3.5 mm。綜上，加氫反應(yīng)器的筒體、封頭和接管法蘭均采用12Cr2Mo1V結(jié)合堆焊不銹鋼的材料形式。

1.3 筒體和封頭的結(jié)構(gòu)形式

加氫反應(yīng)器的筒體采用鍛焊結(jié)構(gòu)，表面僅有環(huán)焊縫，而沒(méi)有縱焊縫，降低了焊縫失效的風(fēng)險(xiǎn)，提高了筒體抗周向應(yīng)力的能力。

在相同內(nèi)壓下，相對(duì)于其他封頭，球形封頭所受的應(yīng)力最小，約為圓筒軸向應(yīng)力的一半，且厚度最薄，因此，高壓容器均采用球形封頭。

不等厚度的筒體和封頭連接筒體不可以削薄，應(yīng)采用局部加厚封頭的結(jié)構(gòu)形式，使連接處圓滑。

1.4 接管法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的需要，該設(shè)備采用整體接管法蘭，即將補(bǔ)強(qiáng)的厚壁管和法蘭作為一個(gè)整體，用整鍛件來(lái)制造，其結(jié)構(gòu)形式可見(jiàn)圖3。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)厚壁管外徑和法蘭大端相同時(shí)選用無(wú)錐段整體接管法蘭，該法蘭常用于大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)中，比如反應(yīng)器的頂部人孔大法蘭；當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)厚壁管外徑比法蘭大端大的多時(shí)選用帶錐段整體接管法蘭，反應(yīng)器的一般接管法蘭多采用該結(jié)構(gòu)形式。

圖3 整體接管法蘭的兩種結(jié)構(gòu)形式

整體法蘭設(shè)計(jì)時(shí)采用試算法，其結(jié)構(gòu)尺寸可以參考相同公稱直徑的標(biāo)準(zhǔn)法蘭尺寸，修改尺寸后進(jìn)行計(jì)算校核。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證法蘭大端、螺栓中心圓和法蘭外徑等結(jié)構(gòu)尺寸協(xié)調(diào)，并滿足強(qiáng)度和螺栓安裝的操作空間要求。其次，法蘭內(nèi)徑應(yīng)盡量和管道專業(yè)配對(duì)法蘭的內(nèi)徑一致，降低沖刷腐蝕幾率且減小介質(zhì)流動(dòng)阻力。法蘭主要結(jié)構(gòu)尺寸包括法蘭盤(pán)厚度δf，錐頸大端厚度δ1，小端厚度和錐段高度h。各尺寸參數(shù)對(duì)法蘭三項(xiàng)應(yīng)力的影響趨勢(shì)是不同的，如圖4 a）所示，增加錐頸尺寸（δ1，h）可降低軸向應(yīng)力σH和周向應(yīng)力σT；圖4 b）所示，增加法蘭盤(pán)厚度（δf）可明顯降低徑向應(yīng)力σR[4]。通過(guò)調(diào)整合適的尺寸參數(shù)，可以更有效降低相應(yīng)的應(yīng)力，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。需要注意的是，非標(biāo)法蘭的計(jì)算壓力應(yīng)考慮管道載荷和工藝系統(tǒng)水壓試驗(yàn)的影響。管道載荷應(yīng)在局部應(yīng)力核算時(shí)綜合考慮。當(dāng)反應(yīng)器和工藝管道統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，由于管道系統(tǒng)水壓試驗(yàn)的壓力比設(shè)備高，因此需要按系統(tǒng)試驗(yàn)壓力反推設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力或最高允許工作壓力。

圖4 法蘭尺寸參數(shù)對(duì)三向應(yīng)力的影響

加氫反應(yīng)器長(zhǎng)期處于高溫、高壓、易燃、易爆，且具有腐蝕性的介質(zhì)環(huán)境中，其對(duì)法蘭密封的密封性能要求很高。環(huán)連接面的槽錐面與墊片之間為線接觸或窄面接觸，密封可靠性高，因此，加氫反應(yīng)器的法蘭密封面均采用環(huán)連接面形式。法蘭密封面為梯形槽結(jié)構(gòu)，為防止母材被介質(zhì)腐蝕，在與介質(zhì)接觸的法蘭內(nèi)壁和密封面上需堆焊不銹鋼耐蝕層，如圖5 所示[2]。需要注意的是，法蘭密封面的表層堆焊及加工應(yīng)在最終熱處理后進(jìn)行。

1.5 裙座連接段的設(shè)計(jì)

圖5 法蘭密封面結(jié)構(gòu)

加氫反應(yīng)器的裙座筒體和下封頭連接處局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，易導(dǎo)致應(yīng)力集中。為減小該處所受應(yīng)力，裙座筒體和封頭連接處采用h型整體鍛件，鍛件上部連接筒體，下部連接封頭和裙座殼，其結(jié)構(gòu)形式如圖 6 所示。h型鍛件使對(duì)接焊縫遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)，改善了焊縫的應(yīng)力水平，提高了結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖6 裙座連接處段結(jié)構(gòu)示意圖

1.6 披掛式保溫支持圈

加氫精制反應(yīng)器材料為Cr-Mo 鋼，應(yīng)避免直接在殼體上焊接外部構(gòu)件。披掛式保溫支持圈采用套在頂部人孔上的固定環(huán)和束緊帶來(lái)固定保溫材料，不需要在設(shè)備上焊接保溫支持圈，避免了焊接應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

1.7 內(nèi)件支撐凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)

加氫反應(yīng)器內(nèi)支持圈不采用支持板和筒體角焊縫連接的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵撎幗呛缚p屬于應(yīng)力集中區(qū)，易發(fā)生氫脆開(kāi)裂。加氫反應(yīng)器支撐凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)可見(jiàn)圖7[2]。支撐凸臺(tái)和殼體為整體鍛件，沒(méi)有角焊縫，僅在其外表面堆焊了不銹鋼耐蝕層。通過(guò)加大凸臺(tái)堆焊層的外表面圓角半徑，可明顯降低應(yīng)力集中程度。

2 主要制造技術(shù)要求

加氫反應(yīng)器制造過(guò)程主要包括殼體鍛造、內(nèi)壁堆焊及焊后整體消除應(yīng)力熱處理和無(wú)損檢測(cè)、水壓試驗(yàn)等步驟。

圖7 支撐凸臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

加氫反應(yīng)器常處于高溫、高壓環(huán)境，其殼體壁厚較大，焊接時(shí)可采用窄間隙埋弧焊方法[5]，該方法可減少焊材的用量，降低焊縫產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。窄間隙焊接工藝經(jīng)濟(jì)可靠且能保證焊接質(zhì)量。

所有與Cr-Mo 鋼連接的焊縫均應(yīng)采用全焊透形式，且必須清根，焊縫表面應(yīng)磨平或圓弧過(guò)渡，降低焊接應(yīng)力和峰值應(yīng)力，防止疲勞裂紋的產(chǎn)生。

內(nèi)壁堆焊前需要先將表面噴砂除銹，用布砂輪打磨內(nèi)壁后采用100%磁粉檢測(cè)，檢測(cè)合格后預(yù)熱表面。堆焊時(shí)先焊接過(guò)渡層，法蘭密封面和凸臺(tái)圓角處的耐蝕層應(yīng)進(jìn)行熱處理后再堆焊，其他部位的耐蝕層應(yīng)在熱處理前堆焊。整個(gè)堆焊面應(yīng)均勻光滑。

所有焊接、無(wú)損檢測(cè)結(jié)束，并且檢測(cè)合格后，設(shè)備應(yīng)進(jìn)行整體熱處理，產(chǎn)品焊接試板應(yīng)隨設(shè)備進(jìn)行同爐熱處理。

3 結(jié)論

加氫反應(yīng)器是加氫裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，其介質(zhì)環(huán)境較惡劣，因此對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、焊接、檢測(cè)等方面的要求較高。本文簡(jiǎn)要介紹了加氫反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程、材料選擇及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，同時(shí)對(duì)制造和檢測(cè)的技術(shù)要求進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，可為加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供參考。