加氢反应器冷氢进口的应力分析

范勇波

（茂名瑞派石化工程有限公司，广东 茂名 525000）

石油化工生产水平是衡量一个国家经济发展潜力的重要指标，近些年来我国在钻完井工程、石油化工生产、石油化工精加工等方面都取得了显著的进展，尤其是精炼油工艺、芳烃生产工艺迅速铺开。这既是我国工程技术发展的结果，也是设备发展复杂化的一个结果，而加氢反应器作为石油冶炼石油化工生产当中最为重要的一个设备，规模越来越大，投入实际生产之后，生产也越来越复杂。

1 加氢反应器冷氢进口应力分析的价值

加氢反应器 （如图1）的运行环境比较复杂，通常温度和压力均较高，且在临清的状况下使用更会造成加氢反应器的老化，尤其是一些关键的部件，如果不进行应力分析，造成工作条件长期恶化，就可能造成冷氢口部分存在较大的温差，影响应力的分布。①采用应力分析方法，可以对加氢反应器面临的高压、高温、富氢工作环境进行具体的参数分析，基于压力容器的计算规则来保障整个加氢反应器的进口可以处于一个均衡的压力和温度状态。

图1 加氢反应器构件图

②提高压力容器承受的结构极限强度，降低材料不合理应用造成的材料老化问题，提高设备整体使用率，尤其是在高温高压环境之内，通过合理设计减轻材料占比，改善结构等级，降低制造成本。

③进行应力分析还可以提高整个区域计算的连续程度。按照分类计算的结果，对于不同材料的配比情况和结合情况进行全面分析，从而改善加氢反应器结构笨重的问题，降低其自身质量，结合有限元分析模型。设计结构特点，根据区域应力分析结果提高运行安全性［1］。

2 加氢反应器冷氢口有限元应力分析路径

本文采用案例分析方法，主要以某石化工业企业应用的热壁加氢反应器作为案例进行探讨。该加氢反应器主要有冷氢接管、法兰同体和冷氢管等几个关键部分构成，设备内径为3200μm，堆焊层占厚度约5%，法兰材质为钢卷板，筒壁厚度3100μm，断介型号为270mol。冷氢管材料型号为s3b5430，保温材料为复合硅酸镁铝材料，厚度为135mm。在正常运行环境当中，该设备承受的压力为10.35MPa，根据该设备进行应力分析，主要路径为：

2.1 加氢反应器冷氢进口应力分析模型构建

2.1.1 几何结构分布

按照加氢反应器的对称几何结构分布，对不同部分承受的荷载力进行对称性探讨。首先，按照材料的不同类别建立三维实体模型，从而对结构进行全面的分析。主要的三维实体模型分为三大部分，第一部分为主体结构，第二部分为冷氢口尺寸结构，第三部分为反应器主要性能参数。其次，案例中加氢反应器的工作压力为10.2MPa，工作温度为400℃，设计压力为10.71MPa，设计温度为425℃，容器外最低环境温度为零下20℃，计算压力为10.71MPa。荷载系数k等于1，接管法兰材料为12CrMo1。主体材料与接管法兰材料型号相同，焊接接头系数为1，腐蚀裕量为零，冷氢进料口温度为56℃，保温材料导热系数为0.082mm。最后，对该结构进行模型探讨，主要是在高精度分析的基础之上来对单元数量进行计算。通过提高原有计算速度的方式，减少模型不稳定性对于计算结果的影响。在边缘影响力的基础之上，截取3到5mm的长度，来对应力的衰减范围进行最终确定。

2.1.2 温度应力计算

在整个结构中，冷氢进口属于整个氢气的入体部分，因而相对于容器外最低温度-20℃，冷氢进料口的温度为56℃，低于正常的工作环境温度，这种温差的巨大差值会引起热应力的不良问题。例如，工作温度在400℃的情况之下，冷氢口正常运行温度的温度差值将在350℃左右。只有保证模型截取足够的长度，才能够对热应力计算结果起到一个良好的数据支撑作用。还需要构建热传导的边界模型，根据加氢反应器的具体热流体量来对传导方式进行全面分析与管理，在热辐射计算的接轨之下，对不同点位上传的流传热数据结果进行分析。按照热辐射层、热传导层两项结构，提高保温层的整体保温效果，降低冷氢进口处与外界之间的热力交换。经过调整设计之后，流传热在整体保温层当中所占比重下降20%～30%，热辐射降低10%～15%，流传热降低5%～15%，形成了多个传热边界效应，可以对后续的应力分析形成一个良好的数据支撑，确定每个传热边界的条件，提高计算的精度。

2.2 网络模型构建

对加氢入口的应力进行网络模型构建，可以更加精准的划分每个传热边界的模型。采取因素分析与因素探讨方式，对应力产生影响的相关模型进行网络化探讨。采取六边体应力计算方法，获得比较精准的分析结果。例如，本案例当中所选取的加氢反应器，五个热传导边界主要为保温层边界、绝热层边界以及上部边界，这些网络单元经过有限元划分之后，可以通过sol id90计算方法划分出五个单元，获得5000余个网络节点。并配合有限元计算方法，对于冷氢加热管和保温层获得的90%的网络节点采取筛选方式，从而提高有限元网络分析模型覆盖的精准程度。在原有的荷载约束条件基础之上，对模型载荷问题与及边界的划分问题进行有限元探讨，在模型构建基础之上，采用正常工作量和特殊工作量对极端情况进行分析。例如，本案例当中所选择的冷氢口结构，在56℃的工作范围之内传热膜系数为正无穷。而当温度下降70℃之后传热系数为12×10-6，当温度上升400℃时，传热系数为正无穷恢复原有的工作状态，因而在应力计算当中要考虑不同的温度，对于有限元分析网络模型造成的影响，提高计算精准程度［2］。

根据热辐射效应采取厚度分析方法确定波尔兹曼常数。相对封闭的环境内，热传导的效果可以忽略不计，因而根据不同边界条件确定热环境之后，对加氢反应器的结构场载荷问题进行针对性分析，在原有的模量计算基础之上，分析接管端平衡面法兰外径容器内壁计算压力的具体数值，从而提高对于应力加等和效应分析的统一性结果按照结构厂的约束条件。进行向上向下移位，从而对横截面加环的具体数值采取结构性分析。

2.3 应力强度计算结果

按照上述分析流程，可以确定应力结构温度梯度，并且根据温度梯度的具体差值探讨每一个层级产生的热力类型，从而进行现场求解。第一步，需要对不同的温度类型进行单元转换，根据计算模型将转换后的单元，按照温度载荷条件进行结构性导入。第二步，计算不同压力状态下两者结果的一致性程度，根据应力强度分析结果，对冷氢口结构存在的内压载荷、内压和温差载荷、一次加二次应力强度类型，进行全面分析与判断，从而发现局部薄膜效应和弯曲应力峰值效应。在整合计算结果的基础之上，获得反应力的存在时间节点，从而发现由于冷氢气通入造成的具体温差应力。按照分类计算的结果，对不同材料的配比情况和结合情况进行全面分析，从而改善加氢反应器结构笨重的问题，降低其自身质量；结合有限元分析模型、设计结构特点，根据区域应力分析结果提高运行安全性［3］。

3 结论

综上所述，在应力计算的结果之下，可以对模型的温度分布场进行差异化看待，并结合网络分析方法建设有效地分析原型，结合工作载荷计算结果选择合适的工作压力。从本文的分析可知，研究加氢反应器冷氢进口处应力分析，可以根据计算结果调整温度和压力状态，设定良好的导热系数，从而调节薄膜应力分布状态，促进设备运行安全。