加氢反应器油气出口与卸料口的安全性能分析与评定

刘姝 贾敏 朱向哲

摘 要：加氢反应器是石油炼制过程中的重要及危险的设备，加氢反应器的油气出口与卸料口接管方式一般是嵌入式的结构。基于有限元分析对加氢精致反应器R101的油气出口与卸料口部分进行应力分析，找出其相对最危险的部位，在其部位取应力评定处理线运用相关压力容器的理论对其检验结果进行计算，从而分析计算。

关 键 词：加氢反应器；油气出口与卸料口；有限元分析

中图分类号：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2441-02

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）

Abstract： 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.

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

为了获得更高质量的石油化工原料等产品，石油加工工业中设计了加氢工艺装置—加氢反应器，加氢反应器通常在条件苛刻的环境下工作，所以反应器的钢材一般都采用造价昂贵的抗氢钢材，因此加氢反应器的安全性是十分重要的。要怎样保证其安全运行一直重要课题，据专业人员通过对加氢反应器的内外表面及壁厚检测、无损探伤、金相检查和其化学成分分析等检验发现接管与筒体间容易发生失效[1，2]。加氢反应器油气出口与卸料口是加氢反应器的重要的部位，对此部位的安全评价也是很重要的。现以加氢精致反应器R101为例，通过建立其有限元数值模型同时进行应力分析。

1 加氢反应器的结构尺寸及有限元分析模型

加氢反应器主要用于石油工业中。加氢反应器一般采用球形封头，结构细长，通长氢气和原料油从顶端进入加氢反应器，生成的成品油经反应器下端的出口收集器从出口管流出，底部的卸料管用于停工时卸料[3]。加氢反应器的接管方式一般是嵌入式焊接结构。所研究的部位的模型主要是底部的出油口和卸料口部位，油气出口是DN400的管件，卸料口是DN300的管件。实体模型如图1所示。加氢反应器底部整体结构如图2所示。

2 有限元分析计算

2.1 有限元分析简介

ANSYS是有限元分析软件，它的应用是相当广泛的，通常可以在机械、化工等领域的使用，有限元是数值分析方法的一种为复杂的结构过程分析提供了一种精确的手段，在压力容器分析中经常需要有限元法来进行应力分析计算，与其他分析方法相比，有限元方法大大节约了开发时间和资金[3]。

2.2 材料特性及网格划分

本文选取文加氢精致反应器R101为例进行分析讨论，加氢精致反应器最高的工作温度为380 ℃，最高工作压力为8.14 MPa，由于工作温度和压力过高，本加氢精致反应器主要受压件材料为/4Cr-1Mo，切为弹性材料。

加氢反应器底部是三维实体模型，可以采用3D实体单元，为了提高网格精准性，本结构采用了Solid95单元，同时加氢反应器先采取对筒体部分采用手动合理定制单元大小，之后对封头和开孔部分进行扫略。其网格划分如图3，共划分了6 366个单元和33 775个节点。

2.3 分析计算

首先需要加氢反应器底部进行载荷和约束，应该在筒体下约束Y方向的位移，在模型前端面施加对称约束，在容器内壁施加内压8.14 MPa，在容器接管施加内压，该内压是由容器内最高内压和筒体内径决定的，根据拉美公式可以计算的出轴向平衡面载荷。

通过有限元计算分析可以得出最高工作应力下的应力云图，如图4所示，由此图可以得出最大应力强度往往发生在封头和接管之处，取加氢反应器底部接管的内外壁进行应力线评定处理，如图4，同时用ANSYS进行线性处理可得到该处理线上的薄膜应力、弯曲应力及应力强度等值。

通过以上分析选取了2个危险路径，根据JB4832-1995《钢制压力容器》，封头和接管的根部在其载荷的作用下，其薄膜应力为局部薄膜应力，故该结构可以进行如下的应力评定[4]，盈利分类和评定结果图表1。

3 结 论

通过简单的叙述可看出，加氢反应器在工业发展中占有重要的位置，同时基于有限单元分析对加氢精致反应器R101进行了计算和分析，得出结果如下：

（1）最强应力发生的地方往往是封头和管件的交接之处，危险系数也是极高的。

（2）通过ANSYS有限单元分析得出该模型满足强度要求，是安全的。

上述分析表明：加氢反应器预先使用Ansys有限元数值分析方法获得结构强度，并根据得到的准确信息对其结构性能等进行评价，同时为此部件在实际工况中提供了可靠的依据的工作性，还大大的减少制造生产的损失。

参考文献：

[1] 宋玉殿.热壁加氢反应器的安全性能分析与评定作者[D].天津市：天津大学，2006.

[2] 刘值明.热壁加氢反应器接管裂纹断裂与家全评价研究[D].黑龙江省大庆市：大庆石油学院，2005.

[3] 杨达.基于ANSYS分析的加氢反应器裂纹扩展研究[D].黑龙江省大庆市：东北石油大学，2010.

[4] 吕明.谢禹钧.刘复明.基于有限单元法的法兰连接中的接触分析[J].当代化工，2012（11）：1278-1280.