加氫裂化裝置非標法蘭優化設計

羅志軍

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471001)

加氫裂化技術集煉油技術、高壓技術和催化技術于一體，是重質餾分油深度加工的主要工藝之一，其突出的特點是高溫(操作溫度為361～440℃)、高壓(反應流出物操作壓力14.5～17.13 MPa)[1]。法蘭連接是設備、閥門和管道連接的主要形式，據統計，一套380萬t/a規模的加氫裂化裝置高壓法蘭數量約為1 400片。而現行的ASME B16.5標準法蘭范圍的CL2500的法蘭口徑范圍僅覆蓋到DN300[2]，也就是說CL2500系列口徑大于DN300的法蘭屬于非標法蘭，該裝置內非標法蘭數量約為21片。

1 設計原則

包括ASME規范和我國的壓力容器規范在內的大多數國家的鍋爐和壓力容器法蘭設計標準主要基于彈性力學分析的Taylor-Waters法，不考慮溫度和壓力波動的影響。特殊要求的非標準法蘭可按現行國家標準GB150《鋼制壓力容器》進行設計[3]，通常采用試算法，以直徑和壓力等級相近的標準法蘭尺寸為基礎，擬定非標準法蘭的結構和尺寸，最后做強度校核。

按照Taylor-Waters法，法蘭在兩個不連續處被分為三個部件，即圓筒體、錐頸和法蘭環，各部件之間存在相互作用的邊緣力和力矩，法蘭結構見圖1。法蘭環和錐頸尺寸的大小對法蘭設計有著比較復雜的影響(見圖2)，所以在法蘭總長度、螺栓規格和墊片直徑不變的前提下，如何優化法蘭環和錐頸的尺寸，既能使得最大軸向應力σH、最大徑向應力σR和最大環向應力σT分別小于相應的許用應力的85%(根據工程經驗，高壓法蘭留有15%的設計裕量)，又能得到最優的結構尺寸，從而降低法蘭質量，節省投資。

圖2 法蘭環厚度和錐頸尺寸對法蘭應力的影響

2 設計實例

本文選取某加氫裂化裝置中溫度和壓力組合最為苛刻的DN600的法蘭為例，主要設計參數見表1，選用帶頸對焊整體窄面法蘭、密封面為環槽面、16根材質為25Cr2MoVA/35CrMo 的M90螺栓(螺距為3mm，實際螺栓總截面積Ab為94 573.37mm2)、八角墊金屬墊材質A182-F347(具體參數：節徑DG=736.60mm，環寬A=41.28mm，環高H=50.8mm，環的平面寬度C=28.6mm，墊片基本密封面寬度b=5.16mm，墊片系數m=6.5，密封比壓力y=179.3MPa)，法蘭端接管規格為φ610×52.37，即δ0=52.37mm。

表1 法蘭設計參數

值得注意的是，雖然采用法蘭當量壓力法可以簡化計算過程，但實踐證明，該方法具有相當的保守性[4]。

2.1 初步確定法蘭參數

2.1.1載荷

作用于法蘭內徑截面上的流體壓力軸向力FD=π/4Di2PFD=6 009 574.94N；

流體壓力引起的總軸向力F=π/4DG2PFD=12 610 295.67N；

流體壓力總軸向力與作用于內徑截面上的流體壓力軸向力之差FT=F-FD=6 600 720.73N。

2.1.2力臂

螺栓中心至法蘭頸部與法蘭背面交點的徑向距離LA=(Db-Di)/2-δ1=107.75mm；

螺栓中心至FD作用位置處的徑向距離LD=LA+0.5δ1=211.75mm;

螺栓中心至FG作用位置處的徑向距離LG=(Db-DG)/2=201.70mm;

螺栓中心至FT作用位置處的徑向距離LT=(LA+δ1+LG) /2=258.73mm。

2.1.3力矩

預緊狀態的力矩Ma=FGLG=4.81×109N·mm；

操作狀態的力矩MP=FDLD+FTLT+FGLG=3.91×109N·mm；

2.1.4形狀常數

通過上述計算，得到h0=160.72mm、K=2.59mm，通過查GB150圖7-3、7-4、7-7和7-8可知，法蘭的形狀系數為：β=2.27，λ=2.13。

2.1.5應力計算和校核

按GB150中式7-16(式1)、7-1(式2)、7-18(式3)和7.5.34條分別進行軸向應力、徑向應力、切向應力的計算，結果如下:

軸向應力:

σH=fM0/(λσ12Di)=84.98MPa

(1)

徑向應力:

σR=βM0/(λσf2Di)=125.69MPa

(2)

切向應力:

σT=YM0/(σf2Di)-ZσR=86.48MPa

(3)

組合應力:

σHR=(σH+σR)/2=105.33MPa

(4)

組合應力:

σHT=(σH+σT)/2=85.73MPa

(5)

應力校核：

校核結果顯示,僅徑向應力σR不滿足規范要求，根據圖2的曲線可知，降低σR值需增加δf的數值。

2.2 調整法蘭參數

在2.1節的法蘭參數技術上調整法蘭環δf，取390mm，錐頸高度h取109.6mm，由于該方案的斜度為55.11°，已經超過45°的允許值，因此修改法蘭大端δ1數值，取159.6mm，調整后的斜度為44.36°，符合要求。

根據調整后的數值重新計算，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，法蘭的形狀系數為：β=3.21，λ=6.98。

應力檢核：σH= 54.29MPa，σR=26.13MPa，σT= 87.47MPa，σHR=40.21MPa，σHT=70.88MPa。

三項應力校核均合格，如果從法蘭計算本身來說，已經可以滿足使用要求，但是法蘭σH和σR應力富裕量太多，分別僅為規定數值的28.7%和24.4%，需在此基礎上再進行優化，由圖2曲線可知，減少δ1值，可以有效降低σH應力水平，減少δ1值可以有效降低σH和σR應力水平。運用這個方案計算后，得到法蘭的質量約為3 437kg。

2.3 優化法蘭參數

在2.2節的法蘭參數技術上調整法蘭環δf，取280mm，錐頸高度h取220mm，法蘭大端δ1取169.6mm，調整后的斜度為28°，符合要求。

根據調整后的數值重新計算，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，法蘭的形狀系數為：β=2.35，λ=2.52。

應力檢核：σH= 107.46MPa，σR=106.3MPa，σT= 103.44MPa，σHR=106.82MPa，σHT=105.39MPa。

應力校核均合格，三項應力分別為規定數值的72%、93.8%和98.8%，可以看出σH的應力值是比較保守，但由于σT的應力值已經達到規定數值的98.8%，無論調整δf、h和δ1者中的任何一個，都無法使三項應力都滿足要求。

法蘭剛度不足是法蘭環變形的主要原因、密封失效的重要誘發因素[5]，法蘭剛度核算按國標GB150中(式7-23)進行，結果如下：預緊工況下剛度指數J=0.19<1；操作工況下剛度指數J=0.19<1，均滿足指數剛度的要求。

根據這個方案得到的法蘭質量約為2 699kg，比上個方案的法蘭重量減少了約738 kg，按中石化2019年加氫用F347鍛件框架采購協議執行價格6.9萬元/t核算，該項優化設計可使本片法蘭節約投資約5.09萬元。

3 結語

加氫裝置中的非標法蘭應按現行國標GB150《鋼制壓力容器》進行設計，在法蘭總長度和墊片直徑不變的前提下，通過優化法蘭環δf、錐頸高度h和法蘭大端δ1的尺寸，使σH、σR和σT分別小于相應的許用應力的85%，得到最優的結構尺寸，降低法蘭質量，節省投資。

該裝置于2019年4月開氣至今，已平穩運行1年多，高壓非標法蘭設計經受了實踐的檢驗，證明其設計思路是正確的，其中的一些思路和方法希望可以為以后設計其他加氫裝置的非標法蘭提供一些參考。