淺談加氫反應器的設計要點

范強強*

（安徽實華工程技術股份有限公司）

0 前言

隨著節能減排、環境保護的要求日益嚴格，各行業對油品質量的要求也不斷提高，給石化行業的工藝和設備帶來了挑戰。加氫精制工藝可以脫除原油中的硫、氧、氮和金屬等雜質，是目前改善和提高石油產品質量的主要工藝[1]。加氫精制反應器是加氫裝置中的核心設備[2]，其作用是為原油和氫氣在一定的溫度、壓力以及催化劑作用下進行反應提供場所。加氫精制反應器造價昂貴，且長期處于高溫、高壓、臨氫和硫化氫腐蝕的特殊介質環境中，其運行狀態關系到整個裝置的生產安全，因此，加氫反應器設計時要充分考慮其特殊性，在選材、結構設計和制造要求等方面，嚴格遵照安全生產要求。

1 結構設計

加氫精制反應器的工作原理是將原料和氫氣混合后從塔頂送入反應器，在高溫、高壓條件下，經催化劑進行反應。反應器中部通入冷氫，防止反應物料過熱。加氫精制反應器的主體結構可見圖1，其主要零部件包括筒體、封頭、接管法蘭和裙座。加氫反應器的常規設計流程可見圖2。根據工藝專業提供的設計條件，確定設備的設計參數，選擇合適的材料，對零部件進行強度計算，確定結構尺寸，然后對塔器整體進行強度校核，給出詳盡而嚴密的技術說明和制造、檢驗技術要求。

圖1 加氫反應器的主體結構

圖2 加氫反應器的常規設計流程

1.1 設計參數

以某臺反應器為例，其主要設計參數可見表1。

表1 主要設計參數

1.2 材料選擇

高溫、高壓條件下的加氫反應器主體結構形式為鍛焊結構。選擇材料時主要考慮因素包括耐高溫氫腐蝕和硫化氫腐蝕。根據API RP941—2016 標準中的納爾遜曲線[3]，Cr-Mo 鋼具有優秀的抗氫腐蝕性能。12Cr2Mo1 是強度最高的Cr-Mo 鋼，其在高溫下時強度有所降低。12Cr2Mo1V 材料是在12Cr2Mo1材料的基礎上添加V 元素后的改進材料，可顯著提高其耐高溫性能，同時減小反應器的質量。當溫度超過260 ℃時，為了防止材料發生H2S 腐蝕，還需要在內壁堆焊耐腐蝕、抗裂性能好的奧氏體不銹鋼（E309L+E347）?？紤]到腐蝕裕量，堆焊層厚度選取7.5 mm，其中過渡層厚度不小于3.5 mm。綜上，加氫反應器的筒體、封頭和接管法蘭均采用12Cr2Mo1V結合堆焊不銹鋼的材料形式。

1.3 筒體和封頭的結構形式

加氫反應器的筒體采用鍛焊結構，表面僅有環焊縫，而沒有縱焊縫，降低了焊縫失效的風險，提高了筒體抗周向應力的能力。

在相同內壓下，相對于其他封頭，球形封頭所受的應力最小，約為圓筒軸向應力的一半，且厚度最薄，因此，高壓容器均采用球形封頭。

不等厚度的筒體和封頭連接筒體不可以削薄，應采用局部加厚封頭的結構形式，使連接處圓滑。

1.4 接管法蘭的結構設計

由于開孔補強的需要，該設備采用整體接管法蘭，即將補強的厚壁管和法蘭作為一個整體，用整鍛件來制造，其結構形式可見圖3。當補強厚壁管外徑和法蘭大端相同時選用無錐段整體接管法蘭，該法蘭常用于大開孔結構中，比如反應器的頂部人孔大法蘭；當補強厚壁管外徑比法蘭大端大的多時選用帶錐段整體接管法蘭，反應器的一般接管法蘭多采用該結構形式。

圖3 整體接管法蘭的兩種結構形式

整體法蘭設計時采用試算法，其結構尺寸可以參考相同公稱直徑的標準法蘭尺寸，修改尺寸后進行計算校核。設計時應保證法蘭大端、螺栓中心圓和法蘭外徑等結構尺寸協調，并滿足強度和螺栓安裝的操作空間要求。其次，法蘭內徑應盡量和管道專業配對法蘭的內徑一致，降低沖刷腐蝕幾率且減小介質流動阻力。法蘭主要結構尺寸包括法蘭盤厚度δf，錐頸大端厚度δ1，小端厚度和錐段高度h。各尺寸參數對法蘭三項應力的影響趨勢是不同的，如圖4 a）所示，增加錐頸尺寸（δ1，h）可降低軸向應力σH和周向應力σT；圖4 b）所示，增加法蘭盤厚度（δf）可明顯降低徑向應力σR[4]。通過調整合適的尺寸參數，可以更有效降低相應的應力，達到優化設計的目的。需要注意的是，非標法蘭的計算壓力應考慮管道載荷和工藝系統水壓試驗的影響。管道載荷應在局部應力核算時綜合考慮。當反應器和工藝管道統進行水壓試驗時，由于管道系統水壓試驗的壓力比設備高，因此需要按系統試驗壓力反推設備的設計壓力或最高允許工作壓力。

圖4 法蘭尺寸參數對三向應力的影響

加氫反應器長期處于高溫、高壓、易燃、易爆，且具有腐蝕性的介質環境中，其對法蘭密封的密封性能要求很高。環連接面的槽錐面與墊片之間為線接觸或窄面接觸，密封可靠性高，因此，加氫反應器的法蘭密封面均采用環連接面形式。法蘭密封面為梯形槽結構，為防止母材被介質腐蝕，在與介質接觸的法蘭內壁和密封面上需堆焊不銹鋼耐蝕層，如圖5 所示[2]。需要注意的是，法蘭密封面的表層堆焊及加工應在最終熱處理后進行。

1.5 裙座連接段的設計

圖5 法蘭密封面結構

加氫反應器的裙座筒體和下封頭連接處局部結構不連續，易導致應力集中。為減小該處所受應力，裙座筒體和封頭連接處采用h型整體鍛件，鍛件上部連接筒體，下部連接封頭和裙座殼，其結構形式如圖 6 所示。h型鍛件使對接焊縫遠離應力集中區，改善了焊縫的應力水平，提高了結構的可靠性。

圖6 裙座連接處段結構示意圖

1.6 披掛式保溫支持圈

加氫精制反應器材料為Cr-Mo 鋼，應避免直接在殼體上焊接外部構件。披掛式保溫支持圈采用套在頂部人孔上的固定環和束緊帶來固定保溫材料，不需要在設備上焊接保溫支持圈，避免了焊接應力和熱應力引起的開裂風險。

1.7 內件支撐凸臺的結構

加氫反應器內支持圈不采用支持板和筒體角焊縫連接的結構，因為該處角焊縫屬于應力集中區，易發生氫脆開裂。加氫反應器支撐凸臺的結構可見圖7[2]。支撐凸臺和殼體為整體鍛件，沒有角焊縫，僅在其外表面堆焊了不銹鋼耐蝕層。通過加大凸臺堆焊層的外表面圓角半徑，可明顯降低應力集中程度。

2 主要制造技術要求

加氫反應器制造過程主要包括殼體鍛造、內壁堆焊及焊后整體消除應力熱處理和無損檢測、水壓試驗等步驟。

圖7 支撐凸臺結構示意圖

加氫反應器常處于高溫、高壓環境，其殼體壁厚較大，焊接時可采用窄間隙埋弧焊方法[5]，該方法可減少焊材的用量，降低焊縫產生裂紋的風險。窄間隙焊接工藝經濟可靠且能保證焊接質量。

所有與Cr-Mo 鋼連接的焊縫均應采用全焊透形式，且必須清根，焊縫表面應磨平或圓弧過渡，降低焊接應力和峰值應力，防止疲勞裂紋的產生。

內壁堆焊前需要先將表面噴砂除銹，用布砂輪打磨內壁后采用100%磁粉檢測，檢測合格后預熱表面。堆焊時先焊接過渡層，法蘭密封面和凸臺圓角處的耐蝕層應進行熱處理后再堆焊，其他部位的耐蝕層應在熱處理前堆焊。整個堆焊面應均勻光滑。

所有焊接、無損檢測結束，并且檢測合格后，設備應進行整體熱處理，產品焊接試板應隨設備進行同爐熱處理。

3 結論

加氫反應器是加氫裝置中的關鍵設備，其介質環境較惡劣，因此對材料、結構、焊接、檢測等方面的要求較高。本文簡要介紹了加氫反應器主體結構的設計流程、材料選擇及零部件結構設計的要點，同時對制造和檢測的技術要求進行了簡單介紹，可為加氫反應器的設計提供參考。