带有保温和耐火层加氢反应器的局部温度及热应力分析

＊王 廷

（安徽华东化工医药工程有限责任公司上海分公司 上海 201315）

引言

加氢反应一般是指油品在高压氢环境下进行催化改质反应的统称，在高温及催化剂条件下使原料油品中的烯烃发生饱和，并脱除硫、氮、氧等有害成分，脱硫反应生成硫化氢和脱氮反应生成氨。此外，加氢反应在催化剂的条件下进行放热反应，进一步使床层温度持续升高，但又不能出现热量的不均匀分布。而h段是加氢反应器下封头与裙座连接处的典型高温度和应力区，主要是由于此结构产生了热传导、热对流和热辐射现象，而生成了较高的热应力。因此，对该部位进行温度及热应力分析评定是非常重要的。已有很多研究者对加氢反应器h段进行了应力分析及结构设计。

其中，徐君臣等人采用APDL（Ansys Parametric Design Language）语言建立了加氢反应器的部分三维有限元模型，对其在温度、机械、地震和风载荷耦合作用下进行了应力分析，并按照JB 4732标准对h型部位进行了应力评定。崔静等人采用有限元法建立了加氢反应器群座连接处的二维有限元模型，并进行了应力分析与评定，确定合理厚度。张智亮等人采用有限元法对加氢反应器的群座支撑区进行优化设计，考虑了保温层和群座厚度不同时，其当量应力值的变化。

以上研究者均利用有限元分析软件对加氢反应器的h型段进行优化分析和应力评定，考虑的载荷主要是机械、温度、风和地震载荷，而未考虑h段内热辐射对其热应力分布的影响，因h段储存高温气体，而无气体流动，产生的封闭空间可能会增大加氢反应器h段的热应力，产生局部过热现象。此外，加氢反应器外部有硅酸盐保温层，同时还有耐火层，都会阻碍加氢反应器的散热而导致热应力集中，影响容器的安全使用。因此需要开展考虑热辐射载荷，对带有保温和耐火层加氢反应器的温度和热应力分析，并对其进行应力评定，对加氢反应器h型部位的设计及安全使用提供一定的参考数据。

本文采用Ansys有限元分析软件，对加氢反应器的h型部位进行温度及热应力分析，形成了带有保温和耐火层容器热应力计算分析策略，最后依据JB 4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》（2005确认版）中，关于弹性应力分析法的评估规则对h段进行考核，以确定结构是否满足强度要求。

1.有限元模型及材料参数

为了得到加氢反应器h段的温度分布，建立温度场分析有限元模型，涵盖保温层、耐火层、上部筒节、过渡段、锥形封头、接管、裙座上段和裙座下段等部件，选用辽宁海化石油化工有限公司润滑油高压加氢项目30万吨/年润滑油加氢装置中的加氢处理反应器建立有限元模型，其工作参数与设计参数如表1所示。选择Solid278单元对加氢反应器模型进行网格划分，带有保温和耐火层的加氢反应器的有限元模型如图1（a）所示。

表1 该设备工作参数与设计参数

图1

继而对加氢反应器h段进行热应力分析，建立热应力分析有限元模型。该模型的组成与温度场分析有限元模型相似，但缺少保温和耐火层，如图1（b）所示。

表1中所有材料的与温度相关的弹性模量及平均线膨胀系数参照JB 4732-1995附录G的要求，而热传导参数、密度和泊松比等特性参数数据，则参照ASME-SECTIONⅡPART-D。此模型中所用的材料参数数据如表2～表5所示。

表2 温度相关的弹性模量参数（单位：1000MPa）

表3 线膨胀系数参数（单位：10-6/℃）

表4 密度和泊松比参数（ASME II-D-2015）

表5 热导率参数（ASME II-D-2015）（单位：W/（m·℃））

2.边界条件

对加氢反应器的温度场分析模型，边界条件中关于热辐射的设置稍有改变，为了实现对h段的热辐射分析，用AUX12热辐射矩阵生成器，分析面与面之间的热辐射，其主要步骤如下：（1）设置有效的辐射面积：选择h段的辐射面，然后选择该辐射面上的对应节点，再建立Shell131单元；（2）生成热辐射矩阵单元：在有限元软件中的Radiation选项中，定义发射率默认为1、Stefan-Boltzmann系数为5.67×10-8、几何维数为三维等，确定角系数的方式（Hidden），并输出热辐射矩阵单元；（3）使用辐射矩阵：定义新的单元类型Matrix50，并读入超单元矩阵。

对于热应力分析模型的边界条件，主要包括：

（1）因裙座固定在地面，对其底板施加全约束；

（2）加氢反应器整体的温度场，应由温度场的结果文件直接导入；

（3）对于整体模型的内表面，施加其工作载荷，即为20.09MPa；

（4）因三维模型只是加氢反应器h段的截取部位，需对模型的顶部环形断面施加平衡面载荷，计算公式如下，即为-73.95MPa：

（5）模型的下部接管断面：施加平衡面载荷-19.79MPa：

（6）模型的重力：重力加速度9.8m/s2；

（7）地震载荷和风载荷：根据JB4710-2005的规定，风载荷和地震载荷的考虑按照如下：地震载荷+25%×风载荷；100%风载荷。基于上述原则，发现100%的风载荷弯矩更大，因此本模型分析中直接采用这种更为保守的情况进行分析。在模型的顶部断面中间建立节点，并生成质量单元Mass21，并直接加载弯矩（总弯矩为372000N·m）。

3.结果分析

根据以上有限元模型的建立、材料参数的设置和边界条件的加载，得到最终的有限元分析结果。此节一共分为三大部分，分别为温度场分布、热应力分布和应力评定。

（1）温度场分布。经过计算，得到h段模型的温度场分布，如图2所示。可以看出，模型的最高温度约为468℃，最低温度约为-19℃。在h段，有较为突出的温度梯度；且热辐射的作用使得高温度区域的范围更大。这也是该区域热应力较高的主要原因，具体分析参照3.2部分。

图2 h段模型的温度场分布

（2）热应力分布。经过计算，得到h段的应力分布，如图3所示。可以看出，结构模型的最高应力在圆筒上部断面，且该应力过高。其原因在于该断面附近存在一定的温度差别，而施加弯矩的方式为刚性区域方法，使得该区域的应力不能体现实际应力。另一方面，我们关注的重点区域为h段，上部圆筒断面的应力分布不影响下部的应力分布。因此，下文重点研究该部位的应力分布。

图3 h段模型的热应力分布

（3）应力评定。对工作载荷作用下该设备h段结构进行有限元分析，并根据JB 4732-1995（2005确认版），对分析结果进行应力强度评定。经过应力强度高应力区域，并选择9条路径进行应力评定，Path 1为穿过下封头厚度方向高应力区的路径，Path 2-4和Path 7-9为穿过裙座厚度方向且靠近h段的路径，Path 5为穿过裙座厚度方向且远离h段的路径，Path 6为穿过下封头接管变径厚度方向的路径，如图4所示。评定结果表明，h段满足应力强度要求。

图4 应力评定路径

4.结论

本文以带有保温和耐火层加氢反应器为研究对象，考虑了机械、风和地震载荷以及热辐射对加氢反应器h段的影响，基于弹性分析方法和评估策略，评价了h段的温度分布和热应力强度。经过Ansys有限元数值模拟计算，得到如下结论：

（1）形成了对加氢反应器热像部位应力分析评定策略：先建立加氢反应器、保温层和耐火层的有限元模型，并考虑热辐射载荷的作用，外加准确的边界条件，得到整个容器的温度分布；再建立加氢反应器的独立模型，在机械、风、地震和温度载荷的作用下，计算得到热应力分布结果。

（2）根据JB 4732-1995（2005确认版）中关于弹性应力分析法的评估策略，对h段进行了应力强度评定，结果表明：工作载荷条件下，考虑温度和耐火层的h段满足应力强度要求。