加氢反应器冷氢口应力分析研究

2017-09-16顾季枫

山东化工 2017年15期

关键词：边界条件反应器载荷

王含，顾季枫，白羽，刘迟，何澎

(中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司烯烃厂，辽宁抚顺 113006)

加氢反应器冷氢口应力分析研究

王含，顾季枫，白羽，刘迟，何澎

(中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司烯烃厂，辽宁抚顺 113006)

本篇论文使用到ANSYS有限元法模拟软件对某化工厂加氢反应器的重要部件之一冷氢口结构进行建模以及网格划分，之后对应力强度最大区域即危险截面截取路径进行应力强度分析。依据JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》得到分析结果，结果表明应力强度满足设计要求。

加氢反应器；分析设计；强度校核；冷氢口

加氢装置是国内大型炼油厂重要组成之一，尤其是柴油加氢装置，它不仅可以提高柴油产品的纯度，给企业带来一定的经济效益，而且可以改善环境。加氢反应器是是加氢装置的重要核心装置，加氢反应器的稳定才能保证生产的稳定，因此对加氢反应器重要部位冷氢口进行应力校核尤为重要。

1 冷氢口的结构尺寸

加氢反应器的冷氢口主要部分，其结构尺寸如图1所示[1]。

图1 冷氢口结构尺寸图Fig.1 Dimensions of the cold hydrogen mouth

2 冷氢口应力分析

2.1 研究模型结构

加氢反应器的冷氢口材料使用12Cr2Mo1锻件，α=13.755E-6mm/mm·℃，k=35W/m·℃，E=177E3MPa，μ=0.3，材料设计温度下的设计应力强度值为157MPa。模型结构采用360°三维实体模型，利用ANSYS有限元分析软件的三维六面体20节点等参元单元Solid186进行网格划分[2]，分析模型及网格划分如图2所示。

图2 分析模型及网格划分Fig.2 Analysis model and mesh

2.2 边界条件

2.2.1 位移边界条件

热分析中求得结构的温度场。

结构分析中约束反应器筒体下端的轴向和环向位移。

2.2.2 载荷边界条件

热分析中载荷边界条件为介质与壳体内壁间的对流传热系数h=580 W/m2·℃，筒体保温外壁与空气的对流传热系数h=38.51W/m2·℃，冷氢管内壁与冷氢的对流传热系数h=200W/m2·℃；反应器内介质的工作温度为410℃，冷氢管内冷氢的温度为20℃，环境温度为-11.6℃[3]。

结构分析中载荷边界条件为壳体内压、筒体端部的等效压力载荷、管口外载荷、接管端部的压力载荷和热分析求得的结构温度场，具体见表1和表2。

表1 冷氢入口结构分析力载荷表Table 1 Cold hydrogen inlet structure analysis load table

表2 管口外载荷表Table 2 Tube estuary load table

3 应力分析结果

3.1 分析结果

冷氢口模型最大应力值从图3中可知道在出口处，其应力最大值为P=431.509MPa。模型应力分布图如图3所示[4]。

图3 模型应力分布图Fig.3 Model stress distribution

3.2 强度评定

冷氢口分析点处路径见图4所示，其应力分析结果见表3。

图4 局部定义路径图Fig.4 Partially define a path diagram表3 冷氢口应力分类与评定Table 3 Cold hydrogen mouth stress classification and evaluation part

工况名称评定路径应力分类应力强度值/MPa设计应力强度/MPa评定结果设计载荷工况1(K=1.0)设计载荷工况2(K=1.0)E-1一次局部薄膜应力强度SⅡ203.91.5KSm=235.5一次局部薄膜应力强度+一次弯曲应力强度SⅢ342.32.2KSm=345.4一次应力+二次应力SⅣ359.43.0Sm=471通过设计载荷工况1(K=1.0)E-2一次局部薄膜应力强度SⅡ164.11.5KSm=235.5通过

由表3可以得知冷氢口强度校核满足要求[5]。