＊王 廷

（安徽華東化工醫(yī)藥工程有限責(zé)任公司上海分公司 上海 201315）

引言

加氫反應(yīng)一般是指油品在高壓氫環(huán)境下進(jìn)行催化改質(zhì)反應(yīng)的統(tǒng)稱，在高溫及催化劑條件下使原料油品中的烯烴發(fā)生飽和，并脫除硫、氮、氧等有害成分，脫硫反應(yīng)生成硫化氫和脫氮反應(yīng)生成氨。此外，加氫反應(yīng)在催化劑的條件下進(jìn)行放熱反應(yīng)，進(jìn)一步使床層溫度持續(xù)升高，但又不能出現(xiàn)熱量的不均勻分布。而h段是加氫反應(yīng)器下封頭與裙座連接處的典型高溫度和應(yīng)力區(qū)，主要是由于此結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射現(xiàn)象，而生成了較高的熱應(yīng)力。因此，對該部位進(jìn)行溫度及熱應(yīng)力分析評定是非常重要的。已有很多研究者對加氫反應(yīng)器h段進(jìn)行了應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

其中，徐君臣等人采用APDL（Ansys Parametric Design Language）語言建立了加氫反應(yīng)器的部分三維有限元模型，對其在溫度、機(jī)械、地震和風(fēng)載荷耦合作用下進(jìn)行了應(yīng)力分析，并按照J(rèn)B 4732標(biāo)準(zhǔn)對h型部位進(jìn)行了應(yīng)力評定。崔靜等人采用有限元法建立了加氫反應(yīng)器群座連接處的二維有限元模型，并進(jìn)行了應(yīng)力分析與評定，確定合理厚度。張智亮等人采用有限元法對加氫反應(yīng)器的群座支撐區(qū)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮了保溫層和群座厚度不同時(shí)，其當(dāng)量應(yīng)力值的變化。

以上研究者均利用有限元分析軟件對加氫反應(yīng)器的h型段進(jìn)行優(yōu)化分析和應(yīng)力評定，考慮的載荷主要是機(jī)械、溫度、風(fēng)和地震載荷，而未考慮h段內(nèi)熱輻射對其熱應(yīng)力分布的影響，因h段儲存高溫氣體，而無氣體流動，產(chǎn)生的封閉空間可能會增大加氫反應(yīng)器h段的熱應(yīng)力，產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象。此外，加氫反應(yīng)器外部有硅酸鹽保溫層，同時(shí)還有耐火層，都會阻礙加氫反應(yīng)器的散熱而導(dǎo)致熱應(yīng)力集中，影響容器的安全使用。因此需要開展考慮熱輻射載荷，對帶有保溫和耐火層加氫反應(yīng)器的溫度和熱應(yīng)力分析，并對其進(jìn)行應(yīng)力評定，對加氫反應(yīng)器h型部位的設(shè)計(jì)及安全使用提供一定的參考數(shù)據(jù)。

本文采用Ansys有限元分析軟件，對加氫反應(yīng)器的h型部位進(jìn)行溫度及熱應(yīng)力分析，形成了帶有保溫和耐火層容器熱應(yīng)力計(jì)算分析策略，最后依據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（2005確認(rèn)版）中，關(guān)于彈性應(yīng)力分析法的評估規(guī)則對h段進(jìn)行考核，以確定結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求。

1.有限元模型及材料參數(shù)

為了得到加氫反應(yīng)器h段的溫度分布，建立溫度場分析有限元模型，涵蓋保溫層、耐火層、上部筒節(jié)、過渡段、錐形封頭、接管、裙座上段和裙座下段等部件，選用遼寧?；突び邢薰緷櫥透邏杭託漤?xiàng)目30萬噸/年潤滑油加氫裝置中的加氫處理反應(yīng)器建立有限元模型，其工作參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。選擇Solid278單元對加氫反應(yīng)器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，帶有保溫和耐火層的加氫反應(yīng)器的有限元模型如圖1（a）所示。

表1 該設(shè)備工作參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1

繼而對加氫反應(yīng)器h段進(jìn)行熱應(yīng)力分析，建立熱應(yīng)力分析有限元模型。該模型的組成與溫度場分析有限元模型相似，但缺少保溫和耐火層，如圖1（b）所示。

表1中所有材料的與溫度相關(guān)的彈性模量及平均線膨脹系數(shù)參照J(rèn)B 4732-1995附錄G的要求，而熱傳導(dǎo)參數(shù)、密度和泊松比等特性參數(shù)數(shù)據(jù)，則參照ASME-SECTIONⅡPART-D。此模型中所用的材料參數(shù)數(shù)據(jù)如表2～表5所示。

表2 溫度相關(guān)的彈性模量參數(shù)（單位：1000MPa）

表3 線膨脹系數(shù)參數(shù)（單位：10-6/℃）

表4 密度和泊松比參數(shù)（ASME II-D-2015）

表5 熱導(dǎo)率參數(shù)（ASME II-D-2015）（單位：W/（m·℃））

2.邊界條件

對加氫反應(yīng)器的溫度場分析模型，邊界條件中關(guān)于熱輻射的設(shè)置稍有改變，為了實(shí)現(xiàn)對h段的熱輻射分析，用AUX12熱輻射矩陣生成器，分析面與面之間的熱輻射，其主要步驟如下：（1）設(shè)置有效的輻射面積：選擇h段的輻射面，然后選擇該輻射面上的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)，再建立Shell131單元；（2）生成熱輻射矩陣單元：在有限元軟件中的Radiation選項(xiàng)中，定義發(fā)射率默認(rèn)為1、Stefan-Boltzmann系數(shù)為5.67×10-8、幾何維數(shù)為三維等，確定角系數(shù)的方式（Hidden），并輸出熱輻射矩陣單元；（3）使用輻射矩陣：定義新的單元類型Matrix50，并讀入超單元矩陣。

對于熱應(yīng)力分析模型的邊界條件，主要包括：

（1）因裙座固定在地面，對其底板施加全約束；

（2）加氫反應(yīng)器整體的溫度場，應(yīng)由溫度場的結(jié)果文件直接導(dǎo)入；

（3）對于整體模型的內(nèi)表面，施加其工作載荷，即為20.09MPa；

（4）因三維模型只是加氫反應(yīng)器h段的截取部位，需對模型的頂部環(huán)形斷面施加平衡面載荷，計(jì)算公式如下，即為-73.95MPa：

（5）模型的下部接管斷面：施加平衡面載荷-19.79MPa：

（6）模型的重力：重力加速度9.8m/s2；

（7）地震載荷和風(fēng)載荷：根據(jù)JB4710-2005的規(guī)定，風(fēng)載荷和地震載荷的考慮按照如下：地震載荷+25%×風(fēng)載荷；100%風(fēng)載荷?；谏鲜鲈瓌t，發(fā)現(xiàn)100%的風(fēng)載荷彎矩更大，因此本模型分析中直接采用這種更為保守的情況進(jìn)行分析。在模型的頂部斷面中間建立節(jié)點(diǎn)，并生成質(zhì)量單元Mass21，并直接加載彎矩（總彎矩為372000N·m）。

3.結(jié)果分析

根據(jù)以上有限元模型的建立、材料參數(shù)的設(shè)置和邊界條件的加載，得到最終的有限元分析結(jié)果。此節(jié)一共分為三大部分，分別為溫度場分布、熱應(yīng)力分布和應(yīng)力評定。

（1）溫度場分布。經(jīng)過計(jì)算，得到h段模型的溫度場分布，如圖2所示?？梢钥闯?，模型的最高溫度約為468℃，最低溫度約為-19℃。在h段，有較為突出的溫度梯度；且熱輻射的作用使得高溫度區(qū)域的范圍更大。這也是該區(qū)域熱應(yīng)力較高的主要原因，具體分析參照3.2部分。

圖2 h段模型的溫度場分布

（2）熱應(yīng)力分布。經(jīng)過計(jì)算，得到h段的應(yīng)力分布，如圖3所示?？梢钥闯?，結(jié)構(gòu)模型的最高應(yīng)力在圓筒上部斷面，且該應(yīng)力過高。其原因在于該斷面附近存在一定的溫度差別，而施加彎矩的方式為剛性區(qū)域方法，使得該區(qū)域的應(yīng)力不能體現(xiàn)實(shí)際應(yīng)力。另一方面，我們關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)閔段，上部圓筒斷面的應(yīng)力分布不影響下部的應(yīng)力分布。因此，下文重點(diǎn)研究該部位的應(yīng)力分布。

圖3 h段模型的熱應(yīng)力分布

（3）應(yīng)力評定。對工作載荷作用下該設(shè)備h段結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)JB 4732-1995（2005確認(rèn)版），對分析結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定。經(jīng)過應(yīng)力強(qiáng)度高應(yīng)力區(qū)域，并選擇9條路徑進(jìn)行應(yīng)力評定，Path 1為穿過下封頭厚度方向高應(yīng)力區(qū)的路徑，Path 2-4和Path 7-9為穿過裙座厚度方向且靠近h段的路徑，Path 5為穿過裙座厚度方向且遠(yuǎn)離h段的路徑，Path 6為穿過下封頭接管變徑厚度方向的路徑，如圖4所示。評定結(jié)果表明，h段滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。

圖4 應(yīng)力評定路徑

4.結(jié)論

本文以帶有保溫和耐火層加氫反應(yīng)器為研究對象，考慮了機(jī)械、風(fēng)和地震載荷以及熱輻射對加氫反應(yīng)器h段的影響，基于彈性分析方法和評估策略，評價(jià)了h段的溫度分布和熱應(yīng)力強(qiáng)度。經(jīng)過Ansys有限元數(shù)值模擬計(jì)算，得到如下結(jié)論：

（1）形成了對加氫反應(yīng)器熱像部位應(yīng)力分析評定策略：先建立加氫反應(yīng)器、保溫層和耐火層的有限元模型，并考慮熱輻射載荷的作用，外加準(zhǔn)確的邊界條件，得到整個(gè)容器的溫度分布；再建立加氫反應(yīng)器的獨(dú)立模型，在機(jī)械、風(fēng)、地震和溫度載荷的作用下，計(jì)算得到熱應(yīng)力分布結(jié)果。

（2）根據(jù)JB 4732-1995（2005確認(rèn)版）中關(guān)于彈性應(yīng)力分析法的評估策略，對h段進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度評定，結(jié)果表明：工作載荷條件下，考慮溫度和耐火層的h段滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。