變換爐反應(yīng)器的設(shè)計

王躍峰

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

1 設(shè)計參數(shù)

該反應(yīng)器是一臺軸徑向變換爐，內(nèi)件主要包括入口分布器、內(nèi)筒、中心管及支撐件等，屬于某公司專利技術(shù)，設(shè)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(yīng)，產(chǎn)生氫氣和二氧化碳，該反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，該設(shè)備主要設(shè)計參數(shù)見表1。

變換爐反應(yīng)器主要形式和接管見圖1。

圖1 變換爐反應(yīng)器簡圖

上封頭設(shè)置公稱尺寸DN1000接管N1為進料口；下封頭設(shè)置公稱尺寸DN700接管N2為出料口，下封頭設(shè)置H1為卸料手孔，公稱尺寸DN250；設(shè)備筒體上設(shè)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(yīng)器采用裙座支撐，高度5350 mm。

表1 主要設(shè)計參數(shù)

2 材料選擇

材料選擇首先要考慮變換爐反應(yīng)器中的介質(zhì)以及設(shè)計溫度，其工作介質(zhì)中含有氫氣，氫氣分壓為2.04 MPa,符合HG/T20581-2011中氫腐蝕環(huán)境的條件[1]，設(shè)備處于氫腐蝕環(huán)境下工作時，應(yīng)根據(jù)納爾遜曲線來選擇材料，并根據(jù)HG/T20581-2011中7.8.3條款的規(guī)定，留有20℃的溫度安全裕度，查圖后確定在設(shè)備設(shè)計參數(shù)下，普通碳鋼不滿足使用要求，應(yīng)采用CrMo鋼。(普通碳素鋼在臨氫狀態(tài)操作條件下，氫氣會進入材料中，與鋼材中的碳發(fā)生化學反應(yīng)，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(fā)生化學反應(yīng)形成強碳化物，熱穩(wěn)定性好)

同時，設(shè)備介質(zhì)中含有二氧化碳、硫化氫和水，雖然不符合發(fā)生濕硫化氫腐蝕的條件，但在設(shè)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(zhì)中的硫化物也可對材料產(chǎn)生腐蝕，產(chǎn)生硫化鐵，與水反應(yīng)會生成連多硫酸，而普通不銹鋼在連多硫酸條件下可能發(fā)生晶間腐蝕開裂[2]，應(yīng)選用含鈦或鈮的穩(wěn)定型不銹鋼。綜合考慮變換爐反應(yīng)器的操作環(huán)境及介質(zhì)組成，確定材料為15CrMoR復合S32168，進口分布器、中心管等內(nèi)件根據(jù)專利商建議使用S32168材料。

3 各段主要結(jié)構(gòu)形式及計算

3.1 封頭及其連接形式

由于反應(yīng)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(yīng)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(qū)域會存在一個厚度差，增加了連接處的應(yīng)力集中，使封頭與筒體連接區(qū)域成為整個設(shè)備高應(yīng)力區(qū)域之一。如果設(shè)計壓力比較低，或是設(shè)備直徑較小，就可以加厚封頭厚度采用等厚連接；但本反應(yīng)器設(shè)計壓力較高，設(shè)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(yīng)力集中，采用等厚結(jié)構(gòu)，在工程上很不經(jīng)濟，也不合理。為了避免在二者連接處產(chǎn)生較大的應(yīng)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(jié)構(gòu)[3]，這三種連接結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

圖2 封頭厚度小于圓筒厚度時的連接結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上實際就成為圓筒、錐形過渡段和球冠的連接。結(jié)構(gòu)三是完整的半球形封頭與筒體連接，在連接處內(nèi)徑對齊，通過在封頭外側(cè)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(jié)構(gòu)一通過削薄筒體內(nèi)側(cè)和外側(cè)形成錐形過渡段，結(jié)構(gòu)二是通過單邊削薄筒體形成錐形過渡段，結(jié)構(gòu)三是在封頭外側(cè)通過堆焊形成錐形過渡段。結(jié)構(gòu)二制造簡單，單邊削薄的過渡結(jié)構(gòu)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(cè)留10 mm～12 mm余量，斜邊小于14°可以減小該連接區(qū)域的不連續(xù)應(yīng)力。從經(jīng)濟角度考慮，結(jié)構(gòu)三堆焊的造價較高。結(jié)構(gòu)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(chǎn)生了相當大的結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，造成了在此處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，但球形封頭經(jīng)向力的徑向分力會抵消一部分筒體上由壓力產(chǎn)生的徑向載荷，過渡段縱截面上的薄膜應(yīng)力水平不會超過許用值[4]。綜合以上因素，反應(yīng)器封頭與筒體的連接采用結(jié)構(gòu)二。

根據(jù)設(shè)備設(shè)計參數(shù)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(yīng)力T=168 MPa，壓力試驗允許通過的應(yīng)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(jù)計算結(jié)果，上封頭名義厚度80+3 mm,筒體名義厚度140+3 mm，連接結(jié)構(gòu)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(yīng)器封頭上需設(shè)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(jié)構(gòu)的連續(xù)性，在壓力作用下，開孔和接管處產(chǎn)生較大的不連續(xù)應(yīng)力，再加上其它機械載荷產(chǎn)生的應(yīng)力、溫差應(yīng)力、設(shè)備材質(zhì)和制造缺陷等因素綜合作用，在開孔附近導致應(yīng)力集中，成為整臺設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)[5]，必須對開孔處進行補強。該反應(yīng)器封頭上最大開孔為N1接管，公稱尺寸1000，根據(jù)GB/T150.3-2011中的規(guī)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(yīng)器采用鍛制厚壁管加工出翻邊并與封頭對接結(jié)構(gòu)進行整體補強，見圖4。

圖4 接管整體鍛件補強簡圖

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能使焊接殘余應(yīng)力與受壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力集中位置分離，減輕接管與封頭連接處的應(yīng)力水平，同時可以采用超聲和射線檢測來保證焊接質(zhì)量，翻邊區(qū)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(shè)備器壁連接的角焊縫交界處易產(chǎn)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(nèi)部焊接缺陷，存在安全隱患。

另外，接管與殼體內(nèi)壁連接處應(yīng)力較大，為改善應(yīng)力分布狀況，應(yīng)采用圓角過渡減少應(yīng)力集中。經(jīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)備殼體上，也可在設(shè)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(chǎn)生破壞，該結(jié)構(gòu)優(yōu)點是便于安裝和調(diào)整設(shè)備垂直度；結(jié)構(gòu)二形式簡單，造價低廉，是塔器設(shè)計中采用的最多的一種結(jié)構(gòu)，缺點是裙座與封頭連接的內(nèi)側(cè)容易出現(xiàn)缺陷，受結(jié)構(gòu)的限制內(nèi)側(cè)不易加工出圓角，形成應(yīng)力集中；結(jié)構(gòu)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(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)小，適合在有溫差和疲勞的工況下使用。

變換爐反應(yīng)器工作溫度450℃，雖然外部設(shè)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(jù)上述三種結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點的分析，該反應(yīng)器裙座與塔殼的連接選用Y形整體鍛件。同時根據(jù)NB/T47041-2014塔式容器設(shè)計標準要求，當塔殼下封頭的設(shè)計溫度大于等于400℃時，在裙座上部靠近封頭處應(yīng)設(shè)置隔氣圈，其主要作用是在設(shè)備操作溫度較高或者變化較大時，隔氣圈內(nèi)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(yīng)力和熱應(yīng)力疊加形成的組合應(yīng)力。

通過NB/T47041-2014校核計算的反應(yīng)器裙座連接段具體尺寸見圖8。

圖8 反應(yīng)器裙座連接段尺寸

球形封頭內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yīng)力和封頭與裙座連接焊縫處的拉應(yīng)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(yīng)力以及由溫差產(chǎn)生熱應(yīng)力的強度問題。設(shè)置隔氣圈在一定程度上可以緩解該處較高的組合應(yīng)力，但是標準沒有給出隔氣圈能使該處組合應(yīng)力降低的數(shù)值，無法準確判斷該處的組合應(yīng)力是否符合標準的要求，有必要對按照NB/T47041-2014標準設(shè)計的裙座連接結(jié)構(gòu)進行有限元計算，校核裙座與筒體連接處的應(yīng)力強度。

根據(jù)Y形鍛件的結(jié)構(gòu)建立機械應(yīng)力加熱應(yīng)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(nèi)壓P=6.9MPa和設(shè)備質(zhì)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(nèi)半徑；t為筒體有效厚度。

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

圖9 機械應(yīng)力加熱應(yīng)力計算模型

本文僅考慮穩(wěn)態(tài)對流傳熱，經(jīng)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(yīng)力分布云圖(圖12)，應(yīng)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(yīng)力分布云圖

圖13 評定路徑設(shè)置

兩種載荷共同作用下的應(yīng)力最大點位于Y形鍛件與裙座連接段的內(nèi)側(cè)圓角處，經(jīng)過應(yīng)力線性化處理，提取一次局部薄膜應(yīng)力強度SⅡ和一次加二次應(yīng)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(jié)果

經(jīng)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(shè)備主要設(shè)計結(jié)果見表2所示。

表2 設(shè)備主要計算結(jié)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(yīng)器板材應(yīng)按GB/T713-2014和HG/T20584-2011的規(guī)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(yīng)包括焊接接頭，合格指標按GB/T713-2014中要求，力學性能試驗應(yīng)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(tài)進行。筒體和封頭用板材應(yīng)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(yīng)器主體采用鉻鉬鋼，在鋼板生產(chǎn)和設(shè)備焊接過程中，焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬內(nèi)都可能產(chǎn)生冷裂紋。這種裂紋的產(chǎn)生主要是由于焊縫中氫的存在[5]，在為減少熱影響區(qū)的擴散氫含量，應(yīng)采取預熱、保持層間溫度、焊后消氫或中間消氫處理,本設(shè)備要求整體焊后爐內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(shè)備的焊接接頭在中間消除應(yīng)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(shè)備內(nèi)壁為不銹鋼材料，制造完畢后應(yīng)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(yīng)器水壓試驗時還應(yīng)控制氯離子含量不超過25 mg/L。

5 結(jié)語

根據(jù)變換爐反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)組成和設(shè)計參數(shù)，確定了變換反應(yīng)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(jié)構(gòu)，確定采用單邊削薄筒體形成錐形過渡段的連接結(jié)構(gòu)，并用有限元驗算了裙座與筒體連接處的應(yīng)力，為今后該類設(shè)備的設(shè)計提供設(shè)計經(jīng)驗。