變換爐反應器的設計

王躍峰

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

1 設計參數

該反應器是一臺軸徑向變換爐，內件主要包括入口分布器、內筒、中心管及支撐件等，屬于某公司專利技術，設備主要作用是使物料中的一氧化碳在高溫高壓工況下，通過催化劑作用下與水反應，產生氫氣和二氧化碳，該反應為可逆放熱反應，該設備主要設計參數見表1。

變換爐反應器主要形式和接管見圖1。

圖1 變換爐反應器簡圖

上封頭設置公稱尺寸DN1000接管N1為進料口；下封頭設置公稱尺寸DN700接管N2為出料口，下封頭設置H1為卸料手孔，公稱尺寸DN250；設備筒體上設置公稱尺寸DN80接管T1～T3溫度計口管口，公稱壓力均為CL900。反應器采用裙座支撐，高度5350 mm。

表1 主要設計參數

2 材料選擇

材料選擇首先要考慮變換爐反應器中的介質以及設計溫度，其工作介質中含有氫氣，氫氣分壓為2.04 MPa,符合HG/T20581-2011中氫腐蝕環境的條件[1]，設備處于氫腐蝕環境下工作時，應根據納爾遜曲線來選擇材料，并根據HG/T20581-2011中7.8.3條款的規定，留有20℃的溫度安全裕度，查圖后確定在設備設計參數下，普通碳鋼不滿足使用要求，應采用CrMo鋼。(普通碳素鋼在臨氫狀態操作條件下，氫氣會進入材料中，與鋼材中的碳發生化學反應，生成甲烷，導致鋼材破裂，而鉻鉬鋼中Cr、Mo等合金元素與碳發生化學反應形成強碳化物，熱穩定性好)

同時，設備介質中含有二氧化碳、硫化氫和水，雖然不符合發生濕硫化氫腐蝕的條件，但在設備開停工階段或者工況異常時溫度會下降，有可能形成碳酸，造成腐蝕。高溫下介質中的硫化物也可對材料產生腐蝕，產生硫化鐵，與水反應會生成連多硫酸，而普通不銹鋼在連多硫酸條件下可能發生晶間腐蝕開裂[2]，應選用含鈦或鈮的穩定型不銹鋼。綜合考慮變換爐反應器的操作環境及介質組成，確定材料為15CrMoR復合S32168，進口分布器、中心管等內件根據專利商建議使用S32168材料。

3 各段主要結構形式及計算

3.1 封頭及其連接形式

由于反應器壓力較高，因而選用受力狀況較好的凸形封頭，球形封頭與其它凸形封頭相比，殼壁薄膜應力低，受力狀況較好。與半球形封頭連接的筒體往往比較厚，約是半球形封頭的2倍。封頭和筒體連接的區域會存在一個厚度差，增加了連接處的應力集中，使封頭與筒體連接區域成為整個設備高應力區域之一。如果設計壓力比較低，或是設備直徑較小，就可以加厚封頭厚度采用等厚連接；但本反應器設計壓力較高，設備直徑大，封頭厚度與筒體的厚度相差大，如果此時為了降低連接處的應力集中，采用等厚結構，在工程上很不經濟，也不合理。為了避免在二者連接處產生較大的應力集中，通常采取削薄筒體端部或者在封頭堆焊形成錐形過渡段進行連接。GB/T150.3-2011的附錄D推薦了三種封頭厚度小于筒體厚度時的連接結構[3]，這三種連接結構簡圖見圖2。

圖2 封頭厚度小于圓筒厚度時的連接結構

結構一和結構二都是在筒體和封頭連接的切線處，向封頭方向減薄筒體厚度形成錐形過渡段(雙面或單面)，在二者連接處對封頭有加強作用。封頭的等厚部分實際不是完整的半球形而是一個球冠，結構上實際就成為圓筒、錐形過渡段和球冠的連接。結構三是完整的半球形封頭與筒體連接，在連接處內徑對齊，通過在封頭外側堆焊1:3倒角形成的錐形過渡段進行連接。

對比這三種封頭與筒體連接方式，結構一通過削薄筒體內側和外側形成錐形過渡段，結構二是通過單邊削薄筒體形成錐形過渡段，結構三是在封頭外側通過堆焊形成錐形過渡段。結構二制造簡單，單邊削薄的過渡結構更容易進行檢測，同時為防止制造過程中誤差導致削邊超越封頭切線，在切線的封頭側留10 mm～12 mm余量，斜邊小于14°可以減小該連接區域的不連續應力。從經濟角度考慮，結構三堆焊的造價較高。結構二中錐形過渡段的存在，在半球形封頭和筒體連接的地方產生了相當大的結構不連續區，造成了在此處產生較大的應力集中，但球形封頭經向力的徑向分力會抵消一部分筒體上由壓力產生的徑向載荷，過渡段縱截面上的薄膜應力水平不會超過許用值[4]。綜合以上因素，反應器封頭與筒體的連接采用結構二。

根據設備設計參數和GB/T150.3-2011的厚度公式計算，筒體計算厚度=132 mm，取筒體名義厚度n=140+3 mm。取上封頭名義厚度80+3 mm，進行球形封頭的校核計算，試驗壓力下封頭的應力T=168 MPa，壓力試驗允許通過的應力t=0.90s=265 MPa，球形封頭最大允許工作壓力為[pw]=8.9 MPa。根據計算結果，上封頭名義厚度80+3 mm,筒體名義厚度140+3 mm，連接結構見圖3。

圖3 封頭與筒體連接段簡圖

3.2 接管開孔補強

為滿足工藝需求，在反應器封頭上需設置氣體進出口接管，公稱直徑比較大。在殼體上開孔后，一方面削弱了容器器壁強度，降低了容器承載能力，另一方面，開孔和接管破壞了原結構的連續性，在壓力作用下，開孔和接管處產生較大的不連續應力，再加上其它機械載荷產生的應力、溫差應力、設備材質和制造缺陷等因素綜合作用，在開孔附近導致應力集中，成為整臺設備的薄弱環節[5]，必須對開孔處進行補強。該反應器封頭上最大開孔為N1接管，公稱尺寸1000，根據GB/T150.3-2011中的規定，球殼開孔最大直徑小于圓筒直徑的一半，可用等面積法來計算補強面積。

本反應器采用鍛制厚壁管加工出翻邊并與封頭對接結構進行整體補強，見圖4。

圖4 接管整體鍛件補強簡圖

這種結構的優點是能使焊接殘余應力與受壓產生的最大應力集中位置分離，減輕接管與封頭連接處的應力水平，同時可以采用超聲和射線檢測來保證焊接質量，翻邊區域進行超聲檢測，合格級別按NB/T47013.3-2015中TI級合格。如果采用補強圈補強，由于鉻鉬鋼淬硬性傾向大，在與設備器壁連接的角焊縫交界處易產生裂紋，而且只能用磁粉或者滲透檢測方來檢測表面，無法檢測出焊縫內部焊接缺陷，存在安全隱患。

另外，接管與殼體內壁連接處應力較大，為改善應力分布狀況，應采用圓角過渡減少應力集中。經過補強計算，確定N1和N2接管尺寸見圖5和圖6。

圖5 接管N1整體鍛件

由于補強結構參數超出了WRC107適用范圍，本文借助NSAS軟件，通過有限元建模，對外載荷及壓力載荷作用下接管強度進行了校核，接管滿足強度要求，這里不再過多描述。

圖6 接管N2整體鍛件

3.3 裙座與殼體的連接

3.3.1 連接結構分析

裙座與殼體的連接主要有搭接和對接兩種連接方式[6]，見圖7。

圖7 裙座與殼體連接方式簡圖

圖7中結構一為搭接形式，搭接連接形式適用于塔徑小，焊縫受力小的場合，搭接部位可在設備殼體上，也可在設備封頭的直邊段上，但是搭接焊縫受剪力作用，在有溫差和疲勞工況下，容易產生破壞，該結構優點是便于安裝和調整設備垂直度；結構二形式簡單，造價低廉，是塔器設計中采用的最多的一種結構，缺點是裙座與封頭連接的內側容易出現缺陷，受結構的限制內側不易加工出圓角，形成應力集中；結構三的裙座部分和封頭部位采用Y形整體鍛件進行連接，鍛件在與封頭和裙座連接區域的應力集中系數小，適合在有溫差和疲勞的工況下使用。

變換爐反應器工作溫度450℃，雖然外部設有保溫層，但是下封頭與裙座筒體之間也會存在較大的溫差，根據上述三種結構優缺點的分析，該反應器裙座與塔殼的連接選用Y形整體鍛件。同時根據NB/T47041-2014塔式容器設計標準要求，當塔殼下封頭的設計溫度大于等于400℃時，在裙座上部靠近封頭處應設置隔氣圈，其主要作用是在設備操作溫度較高或者變化較大時，隔氣圈內空氣可以被加熱，空氣也能加熱相連部位的金屬，使金屬壁溫的變化幅度變小，減小連接段附近由機械載荷集中應力和熱應力疊加形成的組合應力。

通過NB/T47041-2014校核計算的反應器裙座連接段具體尺寸見圖8。

圖8 反應器裙座連接段尺寸

球形封頭內半徑R1=1908 mm，壁厚δ=80 mm，裙座壁厚t=30 mm，過渡圓角半徑r=20 mm，鍛件高度H=600 mm。

3.3.2 裙座連接結構的有限元計算

在按照NB/T47041-2014塔式容器計算過程中，只是考慮重力、風載、地震載荷等機械載荷作用，計算了裙座筒體橫截面軸向壓縮薄膜應力和封頭與裙座連接焊縫處的拉應力，沒有完整考慮下封頭與裙座筒體交接處由機械載荷引起的集中應力以及由溫差產生熱應力的強度問題。設置隔氣圈在一定程度上可以緩解該處較高的組合應力，但是標準沒有給出隔氣圈能使該處組合應力降低的數值，無法準確判斷該處的組合應力是否符合標準的要求，有必要對按照NB/T47041-2014標準設計的裙座連接結構進行有限元計算，校核裙座與筒體連接處的應力強度。

根據Y形鍛件的結構建立機械應力加熱應力的計算模型，見圖9。

忽略下封頭的開孔接管，本文計算僅考慮內壓P=6.9MPa和設備質量m=360000kg，在筒體端部用σ模擬封閉筒體受力情況，公式如下：

式中,R1為筒體內半徑；t為筒體有效厚度。

計算中需要的其它參數主要有：保溫材料導熱系數λ1=0.12W/(m·℃)；鍛件材料導熱系數λ2=37.4W/(m·℃)；材料線膨脹系數α=14.08×10-6mm/(mm·℃)；裙座筒體外部空氣對流傳熱系數α0=12 W/(m2·℃)；裙座筒體內部空氣對流傳熱系數α1=5 W/(m2·℃)；內部介質對流傳熱系數α2=20 W/(m2·℃)；環境溫度T0=20℃。

圖9 機械應力加熱應力計算模型

本文僅考慮穩態對流傳熱，經有限元計算得到裙座連接處溫度分布云圖(圖10)及熱流量云圖(圖11)，溫度載荷及機械載荷作用下的應力分布云圖(圖12)，應力評定路徑為PATH1(圖13)。

圖10 溫度分布云圖

圖11 熱流量云圖

圖12 應力分布云圖

圖13 評定路徑設置

兩種載荷共同作用下的應力最大點位于Y形鍛件與裙座連接段的內側圓角處，經過應力線性化處理，提取一次局部薄膜應力強度SⅡ和一次加二次應力強度SⅣ，Sm=109 MPa,可得SⅡ=96.6 MPa≤1.5Sm,SⅣ=321 MPa≤3Sm，滿足標準中的對強度限制要求。

3.4 主要計算結果

經過筒體壁厚計算、封頭厚度計算、開孔補強計算和裙座的驗算，確定設備主要設計結果見表2所示。

表2 設備主要計算結果 (mm)

4 材料及制造檢驗要求

4.1 材料的力學性能和部分附加檢驗要求

反應器板材應按GB/T713-2014和HG/T20584-2011的規定進行500℃下的拉伸試驗和水壓試驗水溫減17℃下的夏比(V形缺口)沖擊試驗，夏比(V形缺口)沖擊試驗應包括焊接接頭，合格指標按GB/T713-2014中要求，力學性能試驗應按“累積最長時間模擬焊后熱處理”和“累積最短時間模擬焊后熱處理”二種熱處理狀態進行。筒體和封頭用板材應逐張進行超聲檢測，合格級別按NB/T47013.3-2015中TI級合格。

4.2 熱處理措施

反應器主體采用鉻鉬鋼，在鋼板生產和設備焊接過程中，焊接熱影響區和焊縫金屬內都可能產生冷裂紋。這種裂紋的產生主要是由于焊縫中氫的存在[5]，在為減少熱影響區的擴散氫含量，應采取預熱、保持層間溫度、焊后消氫或中間消氫處理,本設備要求整體焊后爐內熱處理。

4.3 無損檢測

堆焊層的基層表面和蓋面層表面分別進行100%MT及100%PT檢測,按NB/T47013-2015中I級合格。焊接前應對焊接接頭的坡口進行磁粉檢測，焊接接頭在焊后、熱處理和水壓試驗后也要進行磁粉檢測，按照NB/T47013.4-2015中I級合格；在焊后熱處理之前應對所有A、B類焊接接頭進行100%射線檢測，合格級別按NB/T47013.2-2015中II級合格；設備的焊接接頭在中間消除應力熱處理、最終焊后熱處理和水壓試驗后都要進行100%超聲檢測。

4.4 不銹鋼材料酸洗鈍化處理

設備內壁為不銹鋼材料，制造完畢后應對不銹鋼材料進行酸洗鈍化處理，并用藍點法檢測，無藍點為合格。反應器水壓試驗時還應控制氯離子含量不超過25 mg/L。

5 結語

根據變換爐反應器內介質組成和設計參數，確定了變換反應器材料為鉻鉬鋼復合S32168，通過對比GB/T150-2011附錄中三種球形封頭與筒體不等厚連接時的結構，確定采用單邊削薄筒體形成錐形過渡段的連接結構，并用有限元驗算了裙座與筒體連接處的應力，為今后該類設備的設計提供設計經驗。