加氫反應(yīng)壓力容器的設(shè)計(jì)

嚴(yán)坤 聶星月 施雷

（1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064；2.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023）

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)各行各業(yè)飛速發(fā)展，因而對(duì)石油的需求與日俱增。在原油冶煉行業(yè)中，自20世紀(jì)70年代開始就采用高溫高壓加氫精制技術(shù)[1]。隨后，加氫脫硫和裂化技術(shù)飛速發(fā)展，使得煉油相關(guān)的工藝技術(shù)不斷創(chuàng)新進(jìn)步，進(jìn)一步推動(dòng)了用于煉油的反應(yīng)裝置（即加氫反應(yīng)器）的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)發(fā)展。加氫反應(yīng)壓力容器作為石油化工行業(yè)生產(chǎn)中原油煉制的核心裝備，為各類反應(yīng)提供了適合的環(huán)境，因此在石油化工領(lǐng)域得到了普及推廣。為保證油品質(zhì)量較高，需要控制高溫高壓，同時(shí)反應(yīng)過(guò)程中極易產(chǎn)生硫化氫等易腐蝕設(shè)備的介質(zhì)，這種惡劣的工作環(huán)境給加氫裝置帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為順應(yīng)市場(chǎng)逐漸增長(zhǎng)的需求，保證生產(chǎn)安全，研究者們對(duì)石油化工設(shè)備中壓力容器的設(shè)計(jì)展開了諸多研究[2-4]。

1 壓力容器技術(shù)分析

壓力容器作為一種盛裝流體且能夠承載一定壓力的密閉型設(shè)備，一般由筒體、封頭、法蘭、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等組成。依據(jù)使用環(huán)境及制造條件，本文設(shè)計(jì)的壓力容器內(nèi)壓為20 MPa，許用應(yīng)力180 MPa，工作溫度250 ℃，筒體內(nèi)徑500 mm，筒體長(zhǎng)度6 500 mm，腐蝕裕量1 mm，使用壽命25年。該高壓壓力容器承受的壓力高，直徑大，使用壽命長(zhǎng)，根據(jù)《壓力容器》（GB 150.1～150.4—2011）[5]與《鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定》（HG/T 20580—2011）[6]中的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括筒體、封頭、法蘭、接管以及開孔補(bǔ)強(qiáng)等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。加氫反應(yīng)壓力容器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 加氫反應(yīng)壓力容器結(jié)構(gòu)

高壓壓力容器采用焊接結(jié)構(gòu)，其基本工藝如圖2所示。容器筒體材料為12Cr2Mo1R 鋼板；兩端采用長(zhǎng)短軸比為2的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，材料為12Cr2Mo1R?？紤]到容器的使用要求，在封頭頂部設(shè)置接管，原料油與氫氣通過(guò)接管進(jìn)入容器內(nèi)，在催化劑的催化下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生高熱量，為了避免容器溫度持續(xù)升高，在筒體上設(shè)置冷氫管，向容器內(nèi)灌入冷氫以降低溫度，待反應(yīng)結(jié)束后，成品油通過(guò)裙座的出口管流出；同時(shí)裙座上還設(shè)有卸料口，可以卸載原油中多余的廢料。

圖2 壓力容器基本工藝

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 筒體設(shè)計(jì)

壓力容器筒體大致為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，容器周長(zhǎng)的偏差需控制在筒直徑的3% 。在筒體制作時(shí)，卷板、焊接、焊接防變形等工藝極易使筒體圓度發(fā)生偏差，因此需要在工藝過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證筒體圓度。而筒體棱角度會(huì)導(dǎo)致筒體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，產(chǎn)生額外的應(yīng)力，隨著時(shí)間的增加導(dǎo)致筒體被腐蝕斷裂。由于本設(shè)計(jì)中，筒體的厚度較大，主要會(huì)產(chǎn)生環(huán)向棱角度，所以采用內(nèi)V 形坡口來(lái)代替外V 形坡口以控制筒體棱角度。

在壓力容器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了保證容器的使用，設(shè)計(jì)者常常通過(guò)增加筒體的厚度來(lái)增大其承載能力，但這種設(shè)計(jì)方法會(huì)增大容器的質(zhì)量，給容器的制造和運(yùn)輸造成困難。為了使壓力容器在保證強(qiáng)度的條件下質(zhì)量達(dá)到最小，需要對(duì)筒體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。以容器的外殼質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，選取筒體內(nèi)徑、筒體長(zhǎng)度、筒體壁厚和封頭壁厚為優(yōu)化參數(shù)，列出四組優(yōu)化約束方程。

（1）容積條件：優(yōu)化后的壓力容器容積需滿足所需容積要求。

（2）厚度條件：為保證容器的使用安全，外殼經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)加工，不包括腐蝕裕量的厚度最小不能小于3 mm 。

（3）長(zhǎng)度與直徑的比值條件：為了保證壓力容器的安全，當(dāng)容器承受較大壓力時(shí)，需通過(guò)增加容器的內(nèi)徑與壁厚來(lái)提高容器的承壓能力，但容器質(zhì)量也會(huì)隨之增大。因此選取合適的長(zhǎng)徑比是優(yōu)化容器質(zhì)量的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般選取長(zhǎng)徑比為：。其中，L為筒體長(zhǎng)度；D為筒體內(nèi)徑；n為壁厚。

（4）強(qiáng)度條件：依據(jù)設(shè)計(jì)溫度計(jì)算出的容器壁厚應(yīng)滿足最小壁厚條件，且為了滿足強(qiáng)度要求，計(jì)算應(yīng)力需小于許用應(yīng)力。

在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)給定的容器容積、工作壓力、設(shè)計(jì)溫度、筒體內(nèi)徑和長(zhǎng)度條件，可計(jì)算出筒體壁厚為50 mm 。又根據(jù)上述優(yōu)化算法，可知優(yōu)化后筒體壁厚為30 mm 。相較于原常規(guī)設(shè)計(jì)，該壓力容器在保證強(qiáng)度要求的條件下，質(zhì)量減輕了25%，能夠有效減少材料浪費(fèi)，且便于運(yùn)輸。

2.2 封頭設(shè)計(jì)

封頭是壓力容器的主要零件之一，根據(jù)現(xiàn)有的《壓力容器》（GB 150.1～150.4—2011）設(shè)計(jì)規(guī)范，在壓力容器中應(yīng)用的凸型封頭大致有橢圓形封頭、半球形封頭、平底形封頭、錐形封頭、碟形封頭及球冠形封頭幾種。本容器上封頭與法蘭的連接如圖3所示，下封頭則采用長(zhǎng)短軸比為2的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。

圖3 法蘭與封頭連接

壓力容器筒體內(nèi)徑500 mm，內(nèi)壓為20 MPa。依據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，由于承受內(nèi)壓的橢球殼在赤道圓處可能出現(xiàn)壓力，為防止失穩(wěn)，規(guī)定：當(dāng)封頭內(nèi)徑與內(nèi)曲面深度的比值小于4時(shí)，封頭的有效厚度需不小于其直徑的0.15% ；當(dāng)封頭內(nèi)徑與內(nèi)曲面深度的比值大于4時(shí)，封頭的有效厚度需不小于其直徑的0.30% 。另材料為12Cr2Mo1R 的碳素合金鋼殼體加工后，為保證強(qiáng)度要求，容器的最小厚度應(yīng)大于3 mm 。依據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出該加氫反應(yīng)壓力容器的封頭壁厚為35 mm 。

2.3 法蘭設(shè)計(jì)

法蘭、螺栓及墊片是一個(gè)系統(tǒng)，通常綜合考慮設(shè)計(jì)[7]。法蘭的設(shè)計(jì)實(shí)際上包括墊片、螺栓及法蘭設(shè)計(jì)三部分，并需依次進(jìn)行，每一步設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生直接的影響。法蘭設(shè)計(jì)首先需要從墊片設(shè)計(jì)開始。

2.3.1 墊片設(shè)計(jì)

墊片是法蘭連接的核心，密封效果的好壞主要取決于墊片的密封性能。在連接中，將螺紋與螺栓擰緊，使墊片發(fā)生彈性和塑性變形，填塞密封面的不平處，達(dá)到密封的目的。在墊片選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)溫度、壓力及介質(zhì)的腐蝕性確定墊片的材料、結(jié)構(gòu)形式和尺寸。常用于法蘭連接的墊片材料有非金屬、金屬、組合式墊片三種。非金屬墊片柔軟、耐腐蝕、價(jià)格便宜，但不耐高溫高壓。因此，本設(shè)計(jì)選用耐高溫、耐高壓、密封持久可靠，可適應(yīng)壓力、溫度有波動(dòng)的工況條件的橢圓金屬環(huán)墊進(jìn)行密封。依據(jù)容器的使用環(huán)境及性能，與上封頭的入口法蘭以及與裙座的出口法蘭接觸的密封墊片均選用材料為0Cr13的金屬環(huán)墊，該環(huán)墊的最高使用溫度為540 ℃，最軟硬度為160HBS。入口法蘭選擇R.71金屬環(huán)墊，該墊片平均節(jié)徑為533.4 mm，環(huán)寬為28.58 mm，橢圓形環(huán)高為36.51 mm。接管法蘭選擇R.51金屬環(huán)墊，該墊片平均節(jié)徑為279.4 mm，環(huán)寬為22.23 mm，橢圓形環(huán)高為28.58 mm。

2.3.2 螺栓設(shè)計(jì)

法蘭連接密封是靠螺栓壓緊墊片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所需的壓緊力既要保證預(yù)緊和操作時(shí)保持一定的密封比壓，達(dá)到有效的密封要求，又要使密封墊片不被壓壞。螺栓作為法蘭密封結(jié)構(gòu)中的主要受壓元件，應(yīng)該選用強(qiáng)度高、韌性好的鋼材，本文中選用材料為25Cr2MoVA的螺栓。為減少螺母對(duì)螺栓的磨損，避免卡死或膠合，通常采用不同的熱處理方法，使其具有不同的硬度?？紤]到螺母比螺栓更容易更換，通常使螺栓材料的硬度比螺母高30HB。上封頭的入口法蘭以及裙座的出口法蘭上的螺紋均選擇GB/T 193中螺距為4 mm 的細(xì)牙螺紋，配合公稱直徑為70 mm 的螺栓使用，16個(gè)螺栓均勻分布。筒體的冷氫法蘭上的螺紋選擇粗牙螺紋，配合公稱直徑為40 mm 的螺栓使用，8個(gè)螺栓均勻分布。螺栓主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。最后需對(duì)螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，確保其滿足使用要求。

表1 螺栓設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.3 法蘭設(shè)計(jì)

由于生產(chǎn)工藝操作及制造、安裝、檢維修和運(yùn)輸需要，通常將壓力容器及設(shè)備做成可拆卸的連接結(jié)構(gòu)，其中采用法蘭連接的形式最為普遍。法蘭作為壓力容器中受壓最廣泛的元件之一，按其整體程度大致分為三類：松式法蘭、整體法蘭及任意式法蘭。由于整體法蘭的法蘭、法蘭頸部及容器能有效地連接為一個(gè)整體，使其具有相同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以在高壓壓力容器中，選用整體法蘭更為合適。

對(duì)于高壓法蘭，通常是末端流體靜壓力起主導(dǎo)作用，高壓法蘭需要較大的螺栓面積來(lái)抵消末端流體靜壓力。螺栓面積增大，螺栓的螺紋圈數(shù)也會(huì)增加，則需要設(shè)計(jì)較厚的法蘭和較大的輪轂，用以分配螺栓負(fù)載。所以，在法蘭設(shè)計(jì)過(guò)程中，需使螺栓的數(shù)量和尺寸、螺栓間距及螺栓直徑之間達(dá)到平衡。法蘭尺寸的確定主要包括壓緊面尺寸、連接尺寸、強(qiáng)度尺寸和結(jié)構(gòu)尺寸等基本尺寸的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，法蘭材料在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力為163 MPa，可計(jì)算法蘭的有效厚度為15 mm 。最后對(duì)法蘭的軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力以及組合應(yīng)力進(jìn)行校核，以確保法蘭的強(qiáng)度滿足使用要求。

3 其他設(shè)計(jì)

3.1 腐蝕裕量的確定

壓力容器的壁由于腐蝕而變薄，從而縮短了壓力容器的壽命。壓力容器發(fā)生腐蝕的原因有以下幾點(diǎn)：

（1）試劑對(duì)容器內(nèi)壁的化學(xué)侵蝕；

（2）由于空氣和潮濕而生銹；

（3）高溫氧化；

（4）由于試劑高速流過(guò)管壁表面而產(chǎn)生侵蝕。

在壓力容器的使用過(guò)程中，腐蝕是不可避免的，因此需適當(dāng)增加壁厚，以補(bǔ)償由腐蝕引起的容器壁變薄。腐蝕余量是壓力容器壁承受內(nèi)部壓力所需的額外厚度，對(duì)均勻腐蝕的容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)容器的使用壽命及容器內(nèi)氣體或液體的腐蝕速率確定。容器內(nèi)各個(gè)零件的腐蝕裕量需根據(jù)腐蝕速率的不同，采用不同的數(shù)值。

3.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中開孔是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，會(huì)直接對(duì)壓力容器的使用性能產(chǎn)生影響[8-9]，通過(guò)開孔補(bǔ)強(qiáng)可以很好地提高開孔處的性能?，F(xiàn)有的開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)一般有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)、整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)以及厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。在該壓力容器的設(shè)計(jì)中，為了便于制造，建議采用接管補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。該補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，需要選擇合適的材料，選用的補(bǔ)強(qiáng)材料最好與殼體材料強(qiáng)度相近。如果材料強(qiáng)度過(guò)高，會(huì)影響焊接效果，則需要縮小補(bǔ)強(qiáng)面積來(lái)確保應(yīng)力平衡；如果強(qiáng)度過(guò)低，會(huì)使接管的流通面積改變，則需要增大補(bǔ)強(qiáng)面積來(lái)強(qiáng)化應(yīng)力效果。

3.3 支座設(shè)計(jì)

壓力容器及設(shè)備是通過(guò)支座固定在工藝流程中的某一位置上的。支座形式主要分為三大類：立式容器支座、臥式容器支座和球形容器支座。由于該壓力容器筒體長(zhǎng)度為6.5 m，高度與直徑之比大于5，因此選用裙式支座。

3.4 超壓泄放裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)壓力容器內(nèi)介質(zhì)壓力超過(guò)容器最大設(shè)計(jì)承載能力時(shí)，超壓泄放裝置會(huì)立即自動(dòng)泄放壓力介質(zhì)，使容器實(shí)際承受的壓力被限制在安全許可范圍內(nèi)，防止容器過(guò)度超壓，保護(hù)容器免于發(fā)生破壞事故[10]。

3.4.1 安全閥

安全閥主要由密封結(jié)構(gòu)及加載機(jī)構(gòu)組成，是一種由進(jìn)口側(cè)流體介質(zhì)作用推動(dòng)閥瓣開啟、卸壓后自動(dòng)關(guān)閉的特種閥門，屬于重閉式泄壓裝置。安全閥按平衡內(nèi)壓的方式主要可分為彈簧式、杠桿式和先導(dǎo)式，對(duì)于一般中、高壓容器，常常選用彈簧式安全閥。

3.4.2 爆破片

爆破裝置主要由爆破片和夾持器組成，是一種由進(jìn)出口介質(zhì)壓差作用驅(qū)使膜片破裂而自動(dòng)泄壓的裝置，屬于非重閉式泄壓裝置。常見的爆破片形式有正拱形、反拱形和平板形，對(duì)于脈動(dòng)載荷，常選用正拱形爆破片。

為了滿足泄壓要求，在本設(shè)計(jì)中選用安全閥與爆破片串聯(lián)使用的方式來(lái)進(jìn)行泄壓。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著石油化工行業(yè)的迅速發(fā)展，研究者們?cè)絹?lái)越重視加氫反應(yīng)壓力容器的設(shè)計(jì)與制造。加氫反應(yīng)壓力容器工作環(huán)境和使用性能要求較高，常年工作在高溫高壓環(huán)境，并伴隨著各種化學(xué)反應(yīng)，長(zhǎng)期經(jīng)受化學(xué)腐蝕。本文設(shè)計(jì)了一套內(nèi)壓為20 MPa、許用應(yīng)力為180 MPa、工作溫度為250 ℃的加氫反應(yīng)壓力容器，容器筒體質(zhì)量大約為2 500 kg，容積約為1.35 m3。該容器容積小，比表面積大，適用于熱效應(yīng)大的氣相反應(yīng)或液相反應(yīng)，能夠更好地散熱，耐高溫、耐腐蝕，在原油加工上有廣泛的應(yīng)用。