于磊

摘要：隨著石油和化工等行業(yè)的迅速發(fā)展，加氫反應(yīng)壓力容器的設(shè)計與制造愈發(fā)受到研究者的重視。加氫反應(yīng)器是壓力容器的一種，在原油煉制領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，其工作和使用條件十分嚴(yán)格，經(jīng)常伴隨著高溫和高壓的工作環(huán)境，在實際工作時，反應(yīng)器承受著巨大的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。另外，煉油是一個復(fù)雜的化學(xué)過程，反應(yīng)器也面臨著被腐蝕的風(fēng)險。因此，從安全性來考慮，反應(yīng)器的設(shè)計和制造要求非常嚴(yán)格。然而，目前加氫反應(yīng)器的設(shè)計和分析方法主要依靠借助工程經(jīng)驗手工完成，而且為了防止安全事故，設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)尺寸的富余量很大，這就導(dǎo)致加氫反應(yīng)器的制造效率很低且成本很高。針對這一問題，本文從加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化等方面著手系統(tǒng)地評述國內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，并給出需要進(jìn)一步研究的問題。

關(guān)鍵詞：加氫反應(yīng)器;結(jié)構(gòu)設(shè)計;優(yōu)化設(shè)計;制造效率

一、引言

隨著全球工業(yè)4.0以及中國制造2025的提出，我國煉油行業(yè)得到了更加迅猛的發(fā)展，總體規(guī)模隨著各大產(chǎn)業(yè)對能源的需求增加而越來越大。根據(jù)文獻(xiàn)不完全統(tǒng)計，我國在世界煉油各國中排名第二，同時隨著近些年國家海洋戰(zhàn)略的發(fā)展需求對煉油行業(yè)的促進(jìn)發(fā)展，我國一躍成為煉油能力增長速度最快的國家之一。

在煉油工業(yè)中，決定煉油質(zhì)量的兩個關(guān)鍵技術(shù)是：化學(xué)工藝和加氫反應(yīng)器。前者包含加氫裂化工藝和加氫脫硫工藝，隨著化工技術(shù)的不斷發(fā)展，這兩項工藝技術(shù)不斷在發(fā)展進(jìn)步，已經(jīng)基于趨于成熟穩(wěn)定。新時代煉油工業(yè)的需求更多的是對加氫反應(yīng)器設(shè)計與制造工藝水平的不斷提高。由于煉油行業(yè)潛在的高污染及低安全性的風(fēng)險，愈來愈多的學(xué)者開始重視設(shè)計和制造方面的技術(shù)。

傳統(tǒng)的加氫反應(yīng)器的設(shè)計思路是這樣的：基于簡化模型進(jìn)行粗略的結(jié)構(gòu)計算分析，大多時候根據(jù)工程經(jīng)驗進(jìn)行估算，這樣得到的結(jié)果往往可信度不高，往往需要根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行實物模型的驗證。往往會導(dǎo)致加氫反應(yīng)器制造過程中重復(fù)任務(wù)多，周期偏長、效率低下的劣勢。另外一方面，為了保證加氫反應(yīng)器的安全性，設(shè)計的時候壁厚盡量大，安全系數(shù)較大，往往導(dǎo)致加氫反應(yīng)器比較笨重，質(zhì)量偏大，成本較高。這也不符合當(dāng)今社會背景下倡導(dǎo)的節(jié)約資源、提高產(chǎn)品國際競爭力的發(fā)展趨勢。

隨著計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的出現(xiàn)及近年來蓬勃發(fā)展，基于有限元分析的結(jié)構(gòu)校核以及基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計思路能有效的提高加氫反應(yīng)器設(shè)計可靠度，以及實現(xiàn)加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計。

本文以加氫反應(yīng)器的安全性和經(jīng)濟(jì)性設(shè)計兩個方面的角度為出發(fā)點(diǎn)，基于有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的思想，進(jìn)行這兩個方面的國內(nèi)外學(xué)者的研究綜述分析，力求為加氫反應(yīng)器相關(guān)工作者提供一個總結(jié)性的參考。

二、加氫反應(yīng)器發(fā)展概況

加氫反應(yīng)器的研究始于1920s年代，最有代表性的結(jié)構(gòu)：

從圖中可以看出，目前的加氫反應(yīng)器一般為了適用嚴(yán)格的工作條件，一般采用細(xì)長圓柱型結(jié)構(gòu)，密封一般采用雙錐球型。其工作原理如下：油與氣體從頂部進(jìn)口管進(jìn)入，在容器內(nèi)部催化劑層發(fā)生反應(yīng)，由冷氫的循環(huán)流動負(fù)責(zé)帶走大部分熱量，底部卸料管負(fù)責(zé)卸載多余的雜質(zhì)等。

常見的加氫反應(yīng)器按照反應(yīng)器使用狀態(tài)可以分為冷壁機(jī)構(gòu)和熱壁結(jié)構(gòu)兩種形式，二者典型的特征及應(yīng)用。

單從結(jié)構(gòu)角度來看，加氫反應(yīng)器是從單層板式的結(jié)構(gòu)開始發(fā)展的，后續(xù)為了應(yīng)對生產(chǎn)率的需求，出現(xiàn)了多容器結(jié)構(gòu)，隨著焊接和冶金技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，單層鍛造結(jié)構(gòu)成為主流。為了解決腐蝕和過熱的問題，壁面結(jié)構(gòu)逐漸由最初的冷壁結(jié)構(gòu)發(fā)展成為目前占統(tǒng)治地位的熱壁結(jié)構(gòu)。冷壁結(jié)構(gòu)雖然成本較低，但是容易發(fā)生損壞和脫落現(xiàn)象，而熱壁加氫反應(yīng)器可以很好的避免這些缺點(diǎn)。

三、加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計

隨著中國制造2025的提出，加氫反應(yīng)器已經(jīng)逐步向著高溫、耐腐蝕等極端方向發(fā)展，傳統(tǒng)串行的設(shè)計方法已經(jīng)越來越難滿足需求。傳統(tǒng)的設(shè)計往往借助手工或者經(jīng)驗來識別加氫反應(yīng)器的總體結(jié)構(gòu)，為了防止安全事故，設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)尺寸的富余量很大，這就導(dǎo)致加氫反應(yīng)器的制造效率很低且成本很高，這顯然不符合當(dāng)今制造業(yè)向著綠色化的發(fā)展趨勢，隨著現(xiàn)在計算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展，學(xué)者們也已經(jīng)將優(yōu)化設(shè)計與加氫反應(yīng)器的設(shè)計結(jié)合起來，從輕量化的角度出發(fā)，在滿足加氫反應(yīng)器安全性能的前提下，盡量減少其質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化設(shè)計的目標(biāo)。

加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計主要針對的是其壁厚的設(shè)計，屬于優(yōu)化設(shè)計的范疇，其基本原理是以整個加氫反應(yīng)器的質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，以其結(jié)構(gòu)尺寸為約束變量，加氫反應(yīng)器滿足的安全性為基本約束，通過數(shù)學(xué)規(guī)劃求解最佳的壁厚值。

目前國內(nèi)進(jìn)行加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計統(tǒng)計分析。

根據(jù)上述研究可知，加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計是涉及數(shù)學(xué)建模和非線性優(yōu)化算法等多項技術(shù)的一個挑戰(zhàn)性課題。數(shù)學(xué)建模涉及到反應(yīng)器的質(zhì)量描述，約束條件描述（包括反應(yīng)器的強(qiáng)度、剛度、水壓應(yīng)力等多項限制）。雖然加氫反應(yīng)器外表總體看起來是一個圓柱體，但由于涉及到多方面的功能（加氫、冷卻、進(jìn)排氣口等等），決定了其結(jié)構(gòu)局部的不規(guī)則形，且殼體也是多層結(jié)構(gòu)，因此對于其質(zhì)量的準(zhǔn)確描述也是一個難點(diǎn)。

另外一方面，從加氫反應(yīng)器設(shè)計的角度來看，需要進(jìn)行總體塑性變形校核、漸增塑性變形設(shè)計校核、穩(wěn)定性設(shè)計校核、疲勞設(shè)計校核、靜平衡設(shè)計校核等。理論上來講，優(yōu)化設(shè)計的時候數(shù)學(xué)建模要考慮的約束應(yīng)該完全包括以上五個方面，但是隨著約束的增加，又給優(yōu)化求解帶來了困難，如何在約束表達(dá)與數(shù)值計算等兩個方面之間找到平衡是難點(diǎn)。上述文獻(xiàn)的研究目前基本都只考慮了總體塑性變形校核，只有少數(shù)考慮了一些實際工作時水壓引起的疲勞校核。解決這個問題有兩種思路，一種是根據(jù)設(shè)計加氫反應(yīng)器的實際型號，參考設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，將約束分為主次，主約束作為優(yōu)化問題所要考慮的目標(biāo)約束，次約束作為優(yōu)化設(shè)計后進(jìn)行檢驗計算的參考。另外一種思路就是綜合考慮所有約束，研究多約束非線性規(guī)劃算法。

從非線性規(guī)劃角度來看，結(jié)合加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展趨勢包含以下幾個方面：

（1） 基于多離散變量的算法研究：由于加氫反應(yīng)器的逐漸多功能性的發(fā)展，優(yōu)化中的控制變量及狀態(tài)變量只能以多個離散化變量來描述，而不能以單一參數(shù)來進(jìn)行尺度描述，因此解決目前離散化多變量的取值問題是目前急需解決的首要問題;

（2） 基于多目標(biāo)設(shè)計的算法研究：上述中已經(jīng)提到理想的輕量化設(shè)計的思想是考慮所有約束變量進(jìn)行優(yōu)化，這就需要優(yōu)化的時候追求多項指標(biāo)函數(shù)，然而，實際求解過程中得到的目標(biāo)函數(shù)有可能是互相矛盾的，這就給數(shù)值計算帶來了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的非線性規(guī)劃算法就已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的需求。因此，發(fā)展模糊智能控制優(yōu)化算法已經(jīng)成為當(dāng)下的一個研究熱點(diǎn);

（3） 大規(guī)模優(yōu)化算法研究：針對離散化多變量的求解問題，精度與效率是一個矛盾。為了追求求解的精度，往往需要將離散化的有限元單元數(shù)量劃分的越多越好，這就會導(dǎo)致加氫反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計變量可能到達(dá)成千上萬的量級，勢必會給優(yōu)化算法的全局收斂性帶來相當(dāng)大的考驗。針對這類問題的稀疏性和分治策略是時下的一個研究熱點(diǎn);

（4） 優(yōu)化的全局收斂性問題：優(yōu)化的本質(zhì)是求解某個域內(nèi)的極值問題，目前多數(shù)算法并不能保證這個極值在全域內(nèi)的有效性，除非這個優(yōu)化問題是一個凸優(yōu)化問題。而加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計往往可能是一個非凸優(yōu)化問題，加上它的高維度，就更難保證全局收斂性。目前，非迭代的全域最優(yōu)化算法給解決這個難題提供了一種全新的思路。

四、加氫反應(yīng)器的有限元分析

加氫反應(yīng)器在實際煉油過程中，由于其煉油的高反應(yīng)條件，由于高溫高壓的作用，非常容易發(fā)生兩種破壞：一是氫化物導(dǎo)致的腐蝕現(xiàn)象;二是對殼體材料的強(qiáng)度破壞。由于這兩方面問題引起的安全事故突發(fā)率很高，因此必須在加氫反應(yīng)器的設(shè)計過程中充分考慮如何提高其安全性。其核心本質(zhì)就是首先要保證結(jié)構(gòu)是安全，其次是要盡量避免局部應(yīng)力集中的情況。

為了解決這兩個方面的問題，傳統(tǒng)的加氫反應(yīng)器的設(shè)計方法有兩種思路，一種是通過分析實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到加氫反應(yīng)器的應(yīng)力集中區(qū)域主要在結(jié)構(gòu)連接處，通過對制造材料的選取來避免應(yīng)力集中，材料要求耐高溫，耐腐蝕、耐高壓。另外一種思路是依靠經(jīng)驗公式，通過計算來保證加氫反應(yīng)器的靜強(qiáng)度要求。前者的問題是需要大量的數(shù)據(jù)支撐，對于批量生產(chǎn)的舊型號是可以的，對于新產(chǎn)品是無法實現(xiàn)的。后者的問題是不確定性和精度太差，同時也無法驗證在實際高溫、高壓下的動態(tài)熱應(yīng)力和動態(tài)的疲勞強(qiáng)度要求。

隨著計算機(jī)輔助工程分析技術(shù)的發(fā)展，有限元分析的思想為解決加氫反應(yīng)器的設(shè)計問題帶來全新的解決方法。加氫反應(yīng)器有限元分析的基本原理是基于建立的三維實體模型，在商業(yè)化有限元分析軟件中如ANSYS或ABAQUS等，根據(jù)所提供的實體單元進(jìn)行離散化網(wǎng)格劃分，同時考慮加氫反應(yīng)器的實際負(fù)載和約束條件，借助有限元計算模塊，獲取反應(yīng)器不同位置的應(yīng)力云圖，以評估反應(yīng)器對應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

目前國內(nèi)進(jìn)行加氫反應(yīng)器的有限元分析相關(guān)的研究：

從表中統(tǒng)計結(jié)果可以看出，加氫反應(yīng)器的有限元不僅僅能夠分析基本的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變，同時能夠分析動態(tài)響應(yīng)特性，甚至包括考慮工作條件下的溫度場及流場特性。有限元分析涉及的核心技術(shù)主要包括：反應(yīng)器數(shù)字化建模、三維實體網(wǎng)格劃分、有限元計算方法等，在實際分析過程中，要根據(jù)分析對象合理選擇這些關(guān)鍵技術(shù)。

另外一方面，從表中可以看出，有限元分析可以與優(yōu)化設(shè)計集中同步進(jìn)行，借鑒輕量化設(shè)計的思想，即就是不再將質(zhì)量看作是優(yōu)化的唯一目標(biāo)，可以將容易產(chǎn)生破壞位置的應(yīng)力、溫度、壓力等任意一個參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，利用有限元分析軟件提供的模型進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計，避免應(yīng)力應(yīng)變集中等現(xiàn)象，有效的提高加氫反應(yīng)器的使用壽命。

五、結(jié)論

目前加氫反應(yīng)器的設(shè)計和分析方法主要依靠借助工程經(jīng)驗手工完成，而且為了防止安全事故，設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)尺寸的富余量很大，這就導(dǎo)致加氫反應(yīng)器的制造效率很低且成本很高。針對這一問題，本文從加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化等方面著手系統(tǒng)地評述國內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，主要結(jié)論如下：

（1） 從結(jié)構(gòu)角度來看，隨著焊接和冶金技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，單層鍛造結(jié)構(gòu)成為加氫反應(yīng)器的主流結(jié)構(gòu)，壁面結(jié)構(gòu)逐漸由最初的冷壁結(jié)構(gòu)發(fā)展成為目前占統(tǒng)治地位的熱壁結(jié)構(gòu)，可以有效的解決腐蝕和過熱的問題;

（2） 加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計可以有效的提高加氫反應(yīng)器的制造效率，降低成本。多離散變量質(zhì)量描述、靜動態(tài)多約束規(guī)劃、大規(guī)模全局收斂性算法的研究是未來主要的研究熱點(diǎn);

（3） 加氫反應(yīng)器的有限元分析可以保證結(jié)構(gòu)安全，且可以盡量避免局部應(yīng)力集中的情況?？紤]溫度場及流場特性的動態(tài)響應(yīng)特性分析是一個新的挑戰(zhàn)。另外，優(yōu)化設(shè)計與有限元分析相結(jié)合的思想可以有效避免加氫反應(yīng)器應(yīng)力應(yīng)變集中等現(xiàn)象，提高加氫反應(yīng)器的使用壽命。

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