钢制加氢反应器的设计

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少约 !"#， 既节省材料， 又方便运输 和 吊 装。 $%&’ 一是从冶 ()*’! " + 钢之所以有较高的应力强度： 炼和锻造工艺技术上保证了钢材的高纯洁、 高致 密、 高均匀性； 二是通过 “锻后热处理” 、 “ 性能热处 理” 这两道关键工序， 得到的是充分的下贝氏体组 织。对于钢材的组织来讲， 若杂质少、 致密性强、 金 相组织均匀， 就能获得较高的强度和韧性； 而下贝 氏体组织本身就具有优良的综合机械性能， 它能将 较高的强度和塑性与韧性很好的配合。下贝氏体 的亚结构高密度位错以及细小碳化物在下贝氏体 铁素体内沉淀析出， 是保证下贝氏体具有优良综合 机械性能的主要原因
" ! （ )*’ $ ,"- $ +"& $ ./） ( )* （), 33 4） 式中元素以 )*
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（ 33 4）含量代入。
-）回火脆化倾向评定试验结果 # $ % ,+ $ 5!# $ % ,+!*
表 ! "#$%&’(%" !) 钢的力学性能
& :; !" （ 0 )<= ） 6> （室温） ， （室温） ， （+,*= ） 6 （室温） 6 （室温） 6 三个试样允许一 9 %’7 %’7 9 %’7 平均值 个试样
!"#$%&’$ ! " ( 钢制加氢反应器的设计
栾海林， 崔云海
（抚顺石油化工设计院， 辽宁 抚顺 摘 !!"##$）
要： 抚顺石化分公司 !%##&’ ( ) 催化柴油中压加氢精制 （改质） 装置中的两台高温高压加氢反应器，
由于采用了抗氢性能好、 应力强度高的 "*+,!-.,! 同时采用了有限元分析设计法， 因此不仅降低 " / 新材料， 了反应器壳体的厚度， 更重要的是提高了反应器的综合技术性能。另外， 对 "*+,!-.,! 新型抗氢钢的推 / " 广应用起到了积极的促进作用。 关键词： 新型抗氢钢； 临氢设备； 分析设计法 中图分类号： 012$$ 文献标识码： （%##%） 3 文章编号： !##$,44#5 #5,##!#,#6
收稿日期： %##%,#%,#% 作者简介： 栾海林 （ !2$@—） ， 男， 黑龙江省人。 !22! 年毕业于 沈阳化工学院化工机械与设备专业， 获学士学位。现在抚顺 石油化工设计院从事石油化工设备设计工作， 工程师。
化， 传统的 *+,-. 抗氢钢已显示出了它的不足， 对 于高温高压大直径的加氢反应器， 其壁厚、 吨位越 质量近 来越大， 目前已设计出壁厚在 %5#77 以上， 这样给设计、 制造、 运输、 安装等 !###’ 的反应器， 带来了诸多不便。采用新型抗氢钢已不仅仅是节 省投资的问题， 而是技术发展和国产化的需要。当 今国际上 （如美国材料工程学会、 日本制钢所等） 已 成功使用了 "*+,!-.,! " / 新型的高强度抗氢钢， 使加氢反应器的进一步大型化成为可能。这种新 型抗氢钢是国外近十年来开发成功的， 特别是日本 制钢所早在 %# 世纪 4# 年代末就将 "*+,!-.,! "/ 钢用于加氢反应器的制造。 !22$ 年以来， 上海金 山炼油厂、 天津炼油厂等企业相继从日本引进了 5 台 "*+,!-.,! " / 钢制加氢反应器。为了减少进口 并实现国产化， 在有关部门的共同努力下， 我国于 并 !224 年也开发出了 "*+,!-.,! " / 新型抗氢钢， 用此材料为新疆克拉玛依石油化工厂设计生产了 第一台锻焊结构热壁加氢反应器。现以抚顺石化 分公司 !%##&’ ( ) 催化柴油中压加氢精制 （改质） 装 置中两台反应器的设计为例， 介绍 "*+,!-.,! "/ 钢在临氢设备上的应用。这两台反应器是继克拉 玛依之后第二次应用 "*+,!-.,! 并在技术 " / 钢， 上有所提高。 ) 反应器的设计参数 设计参数： 设计压 加氢精制反应器 （ 8 9 !#! ） 力 !! : 55-;)； 设计温 度 6"#< ； 介 质 为 油 气、 =% 、 其中 =% > 体积含量为 # : !? ； 氢分压 4-;)； =% >， 反应器内径 "$##77； 切线长度 !@#"#77。
制造单位在冶炼材料时提高了熔炼分析的企业内部控制指标具体为检验方面的要求在焊接之后或中间消除应力热处理之后关钢基体焊缝的化学成分分析原设计只要求检验123结语这两台加氢反应器由抚顺石油化工设计院设计富拉尔基第一重型机械厂制造经有关部门的检验验收各项指标均达到了设计要求有些性能指标高于克拉玛依的反应器
表%
元素 熔炼 分析 产品 分析 % " / (" 2 " / (! " / "E 2 " / (3 ! " / (" ! " / (" -. )< " / $" 2 " / D" " / ,3 2 " / D$ ! " / "(" ! " / "(" ! " / "(" ! " / "(" = -
。弥散分布的细小碳化钒
粒子也可提高钢的高温强度。 另外， 与 ,! $%&’()*’! " %&’()* 钢相比， "+ 钢 中 -. 和 %& 的含量有所不同， 前者 -.! " / ,"0 ， %& 后者 -.! " / ("0 ， 1 , / "0 2 , / !0 ， %& 1 , / 3!0 2 降低 -. 的含量可以提高钢 $ / ,!0 。一般情况下， 的高温韧性， 相反增加 %& 的含量可以提高钢的高 温强度， 这也是 $%&’()*’! " + 钢具有较高应力强 度的一个原因。 !"# 抗高温氢腐蚀能力强 与 ,! $%&’()*’! " %&’()* 钢相比， " + 钢具有 较强的抗高温氢腐蚀能力， 这主要归功于元素 + 的作用。 上面 提 到 钒 与 碳 在 钢 中 能 够 形 成 碳 化 物 当钒含量低时钢中同时共存的基本上是纯 +$ %4 ， 的碳化铁 （ 56$ %） 以及碳化钒 （ +$ %4 ） ， 钢中有两种 碳化物共存时， 其抗氢蚀能力取决于最不稳定的碳 化物， 即纯碳化铁。钒在碳化铁中有一定的溶解 度， 如果适量的增加钒的含量可以稳定钢中的碳， 这是因为在高温环境下钒能优先和碳结合生成稳 定的碳化物。一般认为含钒钢比无钒钢的抗氢温 度能提高 !"7 。 另外， 这两台反应器都属于高温高压操作工
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前言 近年来， 加氢设备特别是加氢反应器日趋大型
加氢裂化反应器 （ 8 9 !#% ） 设计参数： 设计压 力 !! : #"-;)； 设计温 度 66#< ； 介 质 为 油 气、 =% 、 其中 =% > 体积含量为 # : !? ； 氢分压 4-;)； =% >， 切线长度 !6$4#77。 反应器内径 "$##77； 相对而言， 与目前国内正在运行的反应器相 比， 这两台反应器的压力、 温度较高， 结构尺寸较 大。 ! 两台反应器材料的选择 根据反应器的设计温度和氢分压， 按照 A;B 抗氢曲线 （临氢作业用钢防止脱碳和微裂的操作极 限） ， 反应器壳体基层可选用 % ! " *+,!-. 或 "*+, 这两台反应器的基 !-.,! " / 钢。综合考虑结果， 层材料选用 "*+,!-.," 厚 ! / 钢。内表面堆焊层： 度为 "77 的 1"#2C 和 厚 度 为 " : 577 的 1"6@。 选 "*+,!-.,! " / 钢的依据如下： !*% 具有较高的设计应力强度 从 A>-1 #,% 查 得 "*+,!-.,! " / 锻钢在 66#< ， 6"#< 下的设计应力强度分别为 !$5-;)， 而相应的 % ! !$@-;)， " *+,!-. 锻钢的设计应力强 度为 !5% : 4-;)， 二 者 相 比， 前者比后 !56 : $-;)， 者应 力 强 度 高 4? 左 右。 通 过 对 比 计 算， 选用 两台反应器壳体质量可以减 " *+,! -., ! " / 钢后，
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对接焊缝落在球形封头切线以内 （即球形封头被切 割一段， 具体数值需经计算） ， 对接基准为各自的中 ! ), ( 性面。根据国内的实际加工能力， 每个筒节的最大 长度不超过 52**44。 焊 接 结 构。两 台 反 应 器 所 有 承 压 焊 缝 全 -） 部采用全焊透窄间隙结构， 所有焊缝均经过)** 9 射线和 )**9 超声波检测， 并采用嵌入式接管。 冷氢管结构。冷氢管开口结构是反应器的 L） 典型结构之一， 如图 ) 所示。在操作期间为控制反 应器内床层温度， 需间断地向内注入急冷氢。由于 冷氢的温度大大低于器壁的温度， 因此采用一般的 接管， 会使接管与器壁的连接处产生很大的温差应 力， 还会带来热疲劳问题。为减少此处温度梯度， 在冷氢管和开口接管之间加一个隔热套管。通过 数据分析和实际考验， 此结构获得了令人满意的效 果。
〔பைடு நூலகம்〕
况， 从氢腐蚀角度分析， 可能产生的是高温氢腐蚀。
〔,〕 所谓氢腐蚀 ， 就是在高温高压下 8 与钢内部的 （ %84 ） ， 造成甲烷鼓泡， 它与 % 发生反应生成甲烷
氢鼓泡一样， 也往往沿钢中层状组织或链状夹杂物 发生， 开裂的机制类似晶界开裂。而碳化钒除了起 到稳定碳的作用外， 还能把氢固定住， 阻止氢离子 在金属内部窜动， 起到了一个陷阱作用， 这样就消 除了产生甲烷的条件， 提高了 $%&’()*’" ! + 钢抗 高温氢腐蚀能力。 !"! 抗回火脆化抗氢剥离性好 抗氢蚀 $%&’()*’! " + 钢除了设计应力强度高、 能力强以外， 还有很多其它的优点， 如抗回火脆化 能力 强， 不易出现奥氏体不锈钢堆焊层剥离现 象。 有关部门的调查结果表明， 国内目前在用的 运行 4 年后， 无堆焊 ,! " %&’()* 钢制加氢反应器， 层的壳体内表面有微观裂纹产生； 带堆焊层的壳体 内侧出现堆焊层与基体剥离现象。从国外的检查 结果来看， ,! " %&’()* 钢在 4!47 以下有的设备出 现了回火脆化， $%&’()*’! " + 钢制加氢反应器至今 还没有裂纹和剥离现象发生。 !"$ 其它方面 $%&’()*’! " + 钢用于加氢反应器在我国还属 于刚起步阶段， 而在国外已有十多年的应用历史， 已积 累 了 丰 富 的 经 验， 技 术 上 也 比 较 成 熟， 这 种 材 料 已 纳 入 美 国 的 9-): 规 范 。 在我国 $%&’()*’! "+ 还 没 有 进 入 压 力 容 器 的 标 准 规 范 中， 这次设计中选用 $%&’()*’! 旨在加快此 " + 钢， 类反应器的国产化进程， 进而将 $%&’()*’! "+ 这 一新型抗氢钢在我国得到推广应用。 ! "#$%&’(%! ") 钢的化学成分和力学性能 $%&’()*’! " + 钢的化学成分如表 ( 所示。 $%&’()*’! " + 钢的力学性能如表 , 所示。 $%&’()*’! " + 钢回火脆性控制指标： 回火脆性敏感系数 ;） 0
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两台反应器的设计计算 设计方法和引用标准 考虑到两台反应器操作压力、 温度均相对较高
等因素， 采用先进的 “应力分析” 设计方法， 并利用 .A"B" 有限元分析软件对反应器机械和温度载荷 进行分析计算。除了进行一般强度和稳定计算外， 还对关键结构不连续处及高应力区进行了详细的 应力 分 析。 与 常 规 方 法 相 比 筒 体 壁 厚 可 减 少 所以， 此方法不但安全可靠， 还可节约设备投 ),9 ， 资。 本次设计采用的主要标准规范有： >C+@51 0 D, 《钢制压力容器—分析设计标准》 ， 国家质量技术监 督局颁发的 《压力容器安全技术监察规程》 ， 并参照 ."%E #F1 的有关部分。两种材料计算结果对比 见表 5。
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!&’(%)*(! " + 钢的化学成分
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（ "# $ %&） （ ’ $ "&） !! ( )*+ !)** 式中元素以百分数含量代入 )*