加氫反應器冷氫口應力分析研究

王 含，顧季楓，白 羽，劉 遲，何 澎

(中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司 烯烴廠，遼寧 撫順 113006)

加氫反應器冷氫口應力分析研究

王 含，顧季楓，白 羽，劉 遲，何 澎

(中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司 烯烴廠，遼寧 撫順 113006)

本篇論文使用到ANSYS有限元法模擬軟件對某化工廠加氫反應器的重要部件之一冷氫口結構進行建模以及網格劃分，之后對應力強度最大區域即危險截面截取路徑進行應力強度分析。依據JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》得到分析結果，結果表明應力強度滿足設計要求。

加氫反應器；分析設計；強度校核；冷氫口

加氫裝置是國內大型煉油廠重要組成之一，尤其是柴油加氫裝置，它不僅可以提高柴油產品的純度，給企業帶來一定的經濟效益，而且可以改善環境。加氫反應器是是加氫裝置的重要核心裝置，加氫反應器的穩定才能保證生產的穩定，因此對加氫反應器重要部位冷氫口進行應力校核尤為重要。

1 冷氫口的結構尺寸

加氫反應器的冷氫口主要部分，其結構尺寸如圖1所示[1]。

圖1 冷氫口結構尺寸圖Fig.1 Dimensions of the cold hydrogen mouth

2 冷氫口應力分析

2.1 研究模型結構

加氫反應器的冷氫口材料使用12Cr2Mo1鍛件，α=13.755E-6mm/mm·℃，k=35W/m·℃，E=177E3MPa，μ=0.3，材料設計溫度下的設計應力強度值為157MPa。模型結構采用360°三維實體模型，利用ANSYS有限元分析軟件的三維六面體20節點等參元單元Solid186進行網格劃分[2]，分析模型及網格劃分如圖2所示。

圖2 分析模型及網格劃分Fig.2 Analysis model and mesh

2.2 邊界條件

2.2.1 位移邊界條件

熱分析中求得結構的溫度場。

結構分析中約束反應器筒體下端的軸向和環向位移。

2.2.2 載荷邊界條件

熱分析中載荷邊界條件為介質與殼體內壁間的對流傳熱系數h=580 W/m2·℃，筒體保溫外壁與空氣的對流傳熱系數h=38.51W/m2·℃，冷氫管內壁與冷氫的對流傳熱系數h=200W/m2·℃；反應器內介質的工作溫度為410℃，冷氫管內冷氫的溫度為20℃，環境溫度為-11.6℃[3]。

結構分析中載荷邊界條件為殼體內壓、筒體端部的等效壓力載荷、管口外載荷、接管端部的壓力載荷和熱分析求得的結構溫度場，具體見表1和表2。

表1 冷氫入口結構分析力載荷表Table 1 Cold hydrogen inlet structure analysis load table

表2 管口外載荷表Table 2 Tube estuary load table

3 應力分析結果

3.1 分析結果

冷氫口模型最大應力值從圖3中可知道在出口處，其應力最大值為P=431.509MPa。模型應力分布圖如圖3所示[4]。

圖3 模型應力分布圖Fig.3 Model stress distribution

3.2 強度評定

冷氫口分析點處路徑見圖4所示，其應力分析結果見表3。

圖4 局部定義路徑圖Fig.4 Partially define a path diagram表3 冷氫口應力分類與評定Table 3 Cold hydrogen mouth stress classification and evaluation part

工況名稱評定路徑應力分類應力強度值/MPa設計應力強度/MPa評定結果設計載荷工況1(K=1.0)設計載荷工況2(K=1.0)E-1一次局部薄膜應力強度SⅡ203.91.5KSm=235.5一次局部薄膜應力強度+一次彎曲應力強度SⅢ342.32.2KSm=345.4一次應力+二次應力SⅣ359.43.0Sm=471通過設計載荷工況1(K=1.0)E-2一次局部薄膜應力強度SⅡ164.11.5KSm=235.5通過

由表3可以得知冷氫口強度校核滿足要求[5]。

4 總結

(1)某煉油廠加氫反應器的冷氫口在進行應力分析時可以考慮三種工況：設計載荷、工作載荷和試驗載荷[6]。按JB4732-1995《設計分析標準》的規定，在計算包括熱應力以及二次應力強度疊加一起組合應力時，通常選用工作載荷工況來進行計算，但是文中選用了設計載荷進行分析計算，這樣的分析結果相對更

(2)論文首先進行常規設計，這樣就得到了所研究模型的結構尺寸，在進行應力分析設計之后，可以更加優化常規設計，在保證結構安全性的基礎上，同時也為生產企業節約了不少成本[7]。

[1] 何 偉.熱壁加氫反應器的設計特點及風險評估[J].化工機械，2014(5)：612-614.

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[3] 陳曉玲，李多民，段滋華.加氫反應器的發展現狀[J].化工設備技術，2009,30(1)：28-31.

[4] 全國壓力容器標準化技術委員會.JB 4732-1995 鋼制壓力容器分析設計標準[S].北京:中國機械工業出版社,1995.

[5] 朱瑞松.高壓加氫反應器接管裂紋分析及檢修[J].壓力容器，2007,24(1)：48-51.

[6] 張龍習.渣油加氫反應器制造控制的幾點特殊技術要求[J].特種設備安全技術，2015(2)：20-21.

[7] 吳 爽，支 憲，劉東梅.加氫反應器制造的重點環節及工藝[J].石油和化工設備，2013,16(5)：49-50.

(本文文獻格式：王 含，顧季楓，白 羽，等.加氫反應器冷氫口應力分析研究[J].山東化工,2017,46(15):124-125.)

2017-05-16

王 含(1989—)，男，遼寧撫順人，助理工程師，主要從事化工生產工作。

TQ015.9

A

1008-021X(2017)15-0124-02