加氫反應(yīng)器冷氫口應(yīng)力分析研究

王 含，顧季楓，白 羽，劉 遲，何 澎

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司 烯烴廠，遼寧 撫順 113006)

加氫反應(yīng)器冷氫口應(yīng)力分析研究

王 含，顧季楓，白 羽，劉 遲，何 澎

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司 烯烴廠，遼寧 撫順 113006)

本篇論文使用到ANSYS有限元法模擬軟件對(duì)某化工廠加氫反應(yīng)器的重要部件之一冷氫口結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模以及網(wǎng)格劃分，之后對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度最大區(qū)域即危險(xiǎn)截面截取路徑進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度分析。依據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》得到分析結(jié)果，結(jié)果表明應(yīng)力強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

加氫反應(yīng)器；分析設(shè)計(jì)；強(qiáng)度校核；冷氫口

加氫裝置是國(guó)內(nèi)大型煉油廠重要組成之一，尤其是柴油加氫裝置，它不僅可以提高柴油產(chǎn)品的純度，給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以改善環(huán)境。加氫反應(yīng)器是是加氫裝置的重要核心裝置，加氫反應(yīng)器的穩(wěn)定才能保證生產(chǎn)的穩(wěn)定，因此對(duì)加氫反應(yīng)器重要部位冷氫口進(jìn)行應(yīng)力校核尤為重要。

1 冷氫口的結(jié)構(gòu)尺寸

加氫反應(yīng)器的冷氫口主要部分，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示[1]。

圖1 冷氫口結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.1 Dimensions of the cold hydrogen mouth

2 冷氫口應(yīng)力分析

2.1 研究模型結(jié)構(gòu)

加氫反應(yīng)器的冷氫口材料使用12Cr2Mo1鍛件，α=13.755E-6mm/mm·℃，k=35W/m·℃，E=177E3MPa，μ=0.3，材料設(shè)計(jì)溫度下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值為157MPa。模型結(jié)構(gòu)采用360°三維實(shí)體模型，利用ANSYS有限元分析軟件的三維六面體20節(jié)點(diǎn)等參元單元Solid186進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2]，分析模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 分析模型及網(wǎng)格劃分Fig.2 Analysis model and mesh

2.2 邊界條件

2.2.1 位移邊界條件

熱分析中求得結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)。

結(jié)構(gòu)分析中約束反應(yīng)器筒體下端的軸向和環(huán)向位移。

2.2.2 載荷邊界條件

熱分析中載荷邊界條件為介質(zhì)與殼體內(nèi)壁間的對(duì)流傳熱系數(shù)h=580 W/m2·℃，筒體保溫外壁與空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)h=38.51W/m2·℃，冷氫管內(nèi)壁與冷氫的對(duì)流傳熱系數(shù)h=200W/m2·℃；反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)的工作溫度為410℃，冷氫管內(nèi)冷氫的溫度為20℃，環(huán)境溫度為-11.6℃[3]。

結(jié)構(gòu)分析中載荷邊界條件為殼體內(nèi)壓、筒體端部的等效壓力載荷、管口外載荷、接管端部的壓力載荷和熱分析求得的結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，具體見表1和表2。

表1 冷氫入口結(jié)構(gòu)分析力載荷表Table 1 Cold hydrogen inlet structure analysis load table

表2 管口外載荷表Table 2 Tube estuary load table

3 應(yīng)力分析結(jié)果

3.1 分析結(jié)果

冷氫口模型最大應(yīng)力值從圖3中可知道在出口處，其應(yīng)力最大值為P=431.509MPa。模型應(yīng)力分布圖如圖3所示[4]。

圖3 模型應(yīng)力分布圖Fig.3 Model stress distribution

3.2 強(qiáng)度評(píng)定

冷氫口分析點(diǎn)處路徑見圖4所示，其應(yīng)力分析結(jié)果見表3。

圖4 局部定義路徑圖Fig.4 Partially define a path diagram表3 冷氫口應(yīng)力分類與評(píng)定Table 3 Cold hydrogen mouth stress classification and evaluation part

工況名稱評(píng)定路徑應(yīng)力分類應(yīng)力強(qiáng)度值/MPa設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度/MPa評(píng)定結(jié)果設(shè)計(jì)載荷工況1(K=1.0)設(shè)計(jì)載荷工況2(K=1.0)E-1一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ203.91.5KSm=235.5一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度+一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ342.32.2KSm=345.4一次應(yīng)力+二次應(yīng)力SⅣ359.43.0Sm=471通過設(shè)計(jì)載荷工況1(K=1.0)E-2一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ164.11.5KSm=235.5通過

由表3可以得知冷氫口強(qiáng)度校核滿足要求[5]。

4 總結(jié)

(1)某煉油廠加氫反應(yīng)器的冷氫口在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)可以考慮三種工況：設(shè)計(jì)載荷、工作載荷和試驗(yàn)載荷[6]。按JB4732-1995《設(shè)計(jì)分析標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，在計(jì)算包括熱應(yīng)力以及二次應(yīng)力強(qiáng)度疊加一起組合應(yīng)力時(shí)，通常選用工作載荷工況來進(jìn)行計(jì)算，但是文中選用了設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行分析計(jì)算，這樣的分析結(jié)果相對(duì)更

(2)論文首先進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)，這樣就得到了所研究模型的結(jié)構(gòu)尺寸，在進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計(jì)之后，可以更加優(yōu)化常規(guī)設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)上，同時(shí)也為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約了不少成本[7]。

[1] 何 偉.熱壁加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].化工機(jī)械，2014(5)：612-614.

[2] 黃曉霞.PTA加氫反應(yīng)器國(guó)產(chǎn)化分析[J].化工設(shè)備與管道，2010，47(5)：19-21.

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[4] 全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB 4732-1995 鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[5] 朱瑞松.高壓加氫反應(yīng)器接管裂紋分析及檢修[J].壓力容器，2007,24(1)：48-51.

[6] 張龍習(xí).渣油加氫反應(yīng)器制造控制的幾點(diǎn)特殊技術(shù)要求[J].特種設(shè)備安全技術(shù)，2015(2)：20-21.

[7] 吳 爽，支 憲，劉東梅.加氫反應(yīng)器制造的重點(diǎn)環(huán)節(jié)及工藝[J].石油和化工設(shè)備，2013,16(5)：49-50.

(本文文獻(xiàn)格式：王 含，顧季楓，白 羽，等.加氫反應(yīng)器冷氫口應(yīng)力分析研究[J].山東化工,2017,46(15):124-125.)

2017-05-16

王 含(1989—)，男，遼寧撫順人，助理工程師，主要從事化工生產(chǎn)工作。

TQ015.9

A

1008-021X(2017)15-0124-02