加氢裂化装置非标法兰优化设计

罗志军

(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471001)

加氢裂化技术集炼油技术、高压技术和催化技术于一体，是重质馏分油深度加工的主要工艺之一，其突出的特点是高温(操作温度为361～440℃)、高压(反应流出物操作压力14.5～17.13 MPa)[1]。法兰连接是设备、阀门和管道连接的主要形式，据统计，一套380万t/a规模的加氢裂化装置高压法兰数量约为1 400片。而现行的ASME B16.5标准法兰范围的CL2500的法兰口径范围仅覆盖到DN300[2]，也就是说CL2500系列口径大于DN300的法兰属于非标法兰，该装置内非标法兰数量约为21片。

1 设计原则

包括ASME规范和我国的压力容器规范在内的大多数国家的锅炉和压力容器法兰设计标准主要基于弹性力学分析的Taylor-Waters法，不考虑温度和压力波动的影响。特殊要求的非标准法兰可按现行国家标准GB150《钢制压力容器》进行设计[3]，通常采用试算法，以直径和压力等级相近的标准法兰尺寸为基础，拟定非标准法兰的结构和尺寸，最后做强度校核。

按照Taylor-Waters法，法兰在两个不连续处被分为三个部件，即圆筒体、锥颈和法兰环，各部件之间存在相互作用的边缘力和力矩，法兰结构见图1。法兰环和锥颈尺寸的大小对法兰设计有着比较复杂的影响(见图2)，所以在法兰总长度、螺栓规格和垫片直径不变的前提下，如何优化法兰环和锥颈的尺寸，既能使得最大轴向应力σH、最大径向应力σR和最大环向应力σT分别小于相应的许用应力的85%(根据工程经验，高压法兰留有15%的设计裕量)，又能得到最优的结构尺寸，从而降低法兰质量，节省投资。

图2 法兰环厚度和锥颈尺寸对法兰应力的影响

2 设计实例

本文选取某加氢裂化装置中温度和压力组合最为苛刻的DN600的法兰为例，主要设计参数见表1，选用带颈对焊整体窄面法兰、密封面为环槽面、16根材质为25Cr2MoVA/35CrMo 的M90螺栓(螺距为3mm，实际螺栓总截面积Ab为94 573.37mm2)、八角垫金属垫材质A182-F347(具体参数：节径DG=736.60mm，环宽A=41.28mm，环高H=50.8mm，环的平面宽度C=28.6mm，垫片基本密封面宽度b=5.16mm，垫片系数m=6.5，密封比压力y=179.3MPa)，法兰端接管规格为φ610×52.37，即δ0=52.37mm。

表1 法兰设计参数

值得注意的是，虽然采用法兰当量压力法可以简化计算过程，但实践证明，该方法具有相当的保守性[4]。

2.1 初步确定法兰参数

2.1.1载荷

作用于法兰内径截面上的流体压力轴向力FD=π/4Di2PFD=6 009 574.94N；

流体压力引起的总轴向力F=π/4DG2PFD=12 610 295.67N；

流体压力总轴向力与作用于内径截面上的流体压力轴向力之差FT=F-FD=6 600 720.73N。

2.1.2力臂

螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离LA=(Db-Di)/2-δ1=107.75mm；

螺栓中心至FD作用位置处的径向距离LD=LA+0.5δ1=211.75mm;

螺栓中心至FG作用位置处的径向距离LG=(Db-DG)/2=201.70mm;

螺栓中心至FT作用位置处的径向距离LT=(LA+δ1+LG) /2=258.73mm。

2.1.3力矩

预紧状态的力矩Ma=FGLG=4.81×109N·mm；

操作状态的力矩MP=FDLD+FTLT+FGLG=3.91×109N·mm；

2.1.4形状常数

通过上述计算，得到h0=160.72mm、K=2.59mm，通过查GB150图7-3、7-4、7-7和7-8可知，法兰的形状系数为：β=2.27，λ=2.13。

2.1.5应力计算和校核

按GB150中式7-16(式1)、7-1(式2)、7-18(式3)和7.5.34条分别进行轴向应力、径向应力、切向应力的计算，结果如下:

轴向应力:

σH=fM0/(λσ12Di)=84.98MPa

(1)

径向应力:

σR=βM0/(λσf2Di)=125.69MPa

(2)

切向应力:

σT=YM0/(σf2Di)-ZσR=86.48MPa

(3)

组合应力:

σHR=(σH+σR)/2=105.33MPa

(4)

组合应力:

σHT=(σH+σT)/2=85.73MPa

(5)

应力校核：

校核结果显示,仅径向应力σR不满足规范要求，根据图2的曲线可知，降低σR值需增加δf的数值。

2.2 调整法兰参数

在2.1节的法兰参数技术上调整法兰环δf，取390mm，锥颈高度h取109.6mm，由于该方案的斜度为55.11°，已经超过45°的允许值，因此修改法兰大端δ1数值，取159.6mm，调整后的斜度为44.36°，符合要求。

根据调整后的数值重新计算，得到FD= 6 011 232.244N，F=12 613 773.30N，FT= 6 600 720.73N，LA=157.75mm，LD=236.75mm，LG=201.70mm，LT=258.73mm，Ma=4.81×109N·mm，MP= 4.06×109N·mm，Mo=4.39×109N·mm，法兰的形状系数为：β=3.21，λ=6.98。

应力检核：σH= 54.29MPa，σR=26.13MPa，σT= 87.47MPa，σHR=40.21MPa，σHT=70.88MPa。

三项应力校核均合格，如果从法兰计算本身来说，已经可以满足使用要求，但是法兰σH和σR应力富裕量太多，分别仅为规定数值的28.7%和24.4%，需在此基础上再进行优化，由图2曲线可知，减少δ1值，可以有效降低σH应力水平，减少δ1值可以有效降低σH和σR应力水平。运用这个方案计算后，得到法兰的质量约为3 437kg。

2.3 优化法兰参数

在2.2节的法兰参数技术上调整法兰环δf，取280mm，锥颈高度h取220mm，法兰大端δ1取169.6mm，调整后的斜度为28°，符合要求。

根据调整后的数值重新计算，得到FD= 6 011 232.24N，F=12 613 773.30N，FT= 66 002 541.06N，LA=147.75mm，LD=231.75mm，LG=258.73mm，LT=201.7mm，Ma=4.81×109N·mm，MP= 4.03×109N·mm，Mo=4.39×109N·mm，法兰的形状系数为：β=2.35，λ=2.52。

应力检核：σH= 107.46MPa，σR=106.3MPa，σT= 103.44MPa，σHR=106.82MPa，σHT=105.39MPa。

应力校核均合格，三项应力分别为规定数值的72%、93.8%和98.8%，可以看出σH的应力值是比较保守，但由于σT的应力值已经达到规定数值的98.8%，无论调整δf、h和δ1者中的任何一个，都无法使三项应力都满足要求。

法兰刚度不足是法兰环变形的主要原因、密封失效的重要诱发因素[5]，法兰刚度核算按国标GB150中(式7-23)进行，结果如下：预紧工况下刚度指数J=0.19<1；操作工况下刚度指数J=0.19<1，均满足指数刚度的要求。

根据这个方案得到的法兰质量约为2 699kg，比上个方案的法兰重量减少了约738 kg，按中石化2019年加氢用F347锻件框架采购协议执行价格6.9万元/t核算，该项优化设计可使本片法兰节约投资约5.09万元。

3 结语

加氢装置中的非标法兰应按现行国标GB150《钢制压力容器》进行设计，在法兰总长度和垫片直径不变的前提下，通过优化法兰环δf、锥颈高度h和法兰大端δ1的尺寸，使σH、σR和σT分别小于相应的许用应力的85%，得到最优的结构尺寸，降低法兰质量，节省投资。

该装置于2019年4月开气至今，已平稳运行1年多，高压非标法兰设计经受了实践的检验，证明其设计思路是正确的，其中的一些思路和方法希望可以为以后设计其他加氢装置的非标法兰提供一些参考。