维普资讯 http://www.cqvip.com 脱氢反应器结构的改进及应力分析 抚顺石油化工设计院刘明福 摘要：从膨胀节位置调整、可调式径向支撑结构、大开孔结构、上部换热器结构等方面对脱氢反应 器局部结构的改进进行论述和应力分析。 关键词：脱氢反应器；局部结构改进；应力分析 中图分类号：ＴＱ０５１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４８３７（２００２｝０８—００２１—０３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｆｕｓｈｕｎ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ＬＩＵ ＭｉＩｌｇ—ｆｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｓ￣ｃｔｕｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｏｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｊｏｉｎｔｓ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ａｄ— ｊｕｓｔａｂｌｅ ｒａｄｉａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓ￣ｃｔｕｒｅ，ｎｏｚｚｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｕｐｐｅｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｓ￣ｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｏｒ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｏｏ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｏｒ；ｌｏｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ；ｓｎ踟ａｎａｌｙｓｉｓ 某公司根据生产需要，将原３万ｔ／ａ苯乙烯生 产装置扩能改造到６万ｔ／ａ。脱氢反应器是该装置 中的重要设备，抚顺石油化工设计院承担了其中３ 台脱氢反应器的设计，脱氢反应器的特点为：（１）温 度高，上部换热器蒸汽人口处的设计温度高达 ８１５￣（２，反应段的设计温度为６５０￣Ｃ，设计主体受压元 件材料选用：３０４Ｈ奥氏体不锈钢；（２）制造精度要求 高，技术指标为：①筒体圆度：≤０．３％内径，且中心 管圆度≤３ｍｍ；②各层圆筒体同轴度：≤３ｍｍ；③简 体直线度：不超过总长的０．１％。 在改造设计中，第二脱氢反应器只利用原第一 脱氢反应器的一小部分筒体，可视为新反应器（见图 １），第三脱氢反应器在原第二脱氢反应器基础上加 长下部筒节，可视为旧反应器（见图２）。本文以新、 旧反应器为例就脱氢反应器局部结构的改进进行论 述和应力分析。 １膨胀节位置调整 图１第二脱氢反应器简图 图２第三脱氢反应器简图 重要。本次设计的脱氢反应器上部膨胀节位置由高 温区域移至低温区域（见图１、图２），改变了膨胀节 由温差应力造成的受力状态，避免了膨胀节由于受 ・由于温差应力的影响，膨胀节位置的选择十分 ２１ ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 脱氢反应器结构的改进及应力分析 Ｖ０ｌ１９．Ｎｏ８ ２００２ 力不合理而造成损坏现象，膨胀节位置调整前、后造 成的影响，见表１。 表１膨胀节位置调整前、后对照表 、、、、、＼位置 第二脱氢 第三脱氢 项目、＼ 反应器膨胀节 反应器膨胀节 所在温度区域（℃） 一６００ ～７２０ 受力状态 拉应力 压应力 失稳状况 不易失稳 易失稳 膨胀节材料 ３０４Ｈ Ｉｎｃｏｌｏｖ８００ 膨胀节直径（ｍｍ） １１００ ｌ５００ 膨胀节造价（万元） ２．２ ｌ０．０ 检修状况 困难 容易 换热器上管板 轴向移动 固定 膨胀节位置调整前，受力状态为受压应力，径向 易失稳，所处区域温度较高，膨胀节容易损坏；膨胀 节位置调整后，受力状态为受拉应力，所处区域温度 相对较低，上管板可轴向膨胀，由于上管板外径、折 流板圆环外径与简体内径间隙的，膨胀节径向 位移很小，与膨胀节直径相比较可以忽略不计。由 ＧＢ１６７４９－－１９９７（（压力容器波形膨胀节》中第６．２条 应力计算可知，轴向位移引起的波纹管经向弯曲应 力 值近似为零。这样，轴向位移引起的波纹管经 向薄膜应力 ４成为主要因素。组合应力 ： ４＋ 减小，从而改善了膨胀节的受力状况，稳定性增 强，膨胀节使用寿命增加，体现出本次结构调整更趋 合理。 ２可调式径向支撑结构 如何避免反应器在高温操作下各个部件之间的 热膨胀差异产生的严重温差应力，是脱氢反应器结 构处理中的一个突出问题，必须让各个部件之间有 足够的轴向膨胀量。原脱氢反应器采用的是内筒与 筒体径向可调、轴向固定结构，即内筒与筒体同轴度 调节到设计要求的指标后，调节螺杆与内筒体接触 的两端焊死结构（见图３）。这种结构无法解决热膨 胀差异产生的温差应力，经常造成支撑杆拉脱以及 内筒损坏现象。 ／ ｛ ’ ｌｉ 图３径向支撑结构图 本次设计采用了可调式多点接触径向支撑结构 （见图４），既保证部件的径向相对位置，又允许部件 受热后可以轴向自由移动，这样，由热膨胀差异产生 的温差应力可以忽略不计。由于同轴度要求 ≤３ｍｍ，在结构上设计了定位装置，在上端三层圆筒 之间的距离由定位杆保证，因为定位螺栓是可调的， 所以上端同轴度也可控制在２．５ｍｍ以下。 ｌ’． ．Ｌ—Ｊ ｆ ● ： 。 Ｉｒ一 ｌ 图４可调式径向支撑结构图 ３开孔结构 由于脱氢反应器的操作温度在６２０℃以上，即 使是采用耐高温金属材料，此时的强度指标也已大 大下降，筒体上又有大的开孔，有的孔径甚至超过所 在简体直径的一半（设计的反应器最大开口为 ＤＮ１４００），强度削弱严重，再加上蒸汽管口处由蒸汽 管路所施加的推力、弯矩等较大的外载荷，使筒体与 接管的交接区域产生相当高的局部应力。在大于 ３５０℃的设备上开孔，通常不推荐用补强圈结构，因 为补强圈很难与壳体或封头壁贴合，在高温下很容 易造成较大的温度提高及不均匀蠕变，引起搭接焊 缝焊部出现裂纹，因而开口补强均用整体补强结构。 大的开孔接管有三种结构形式与筒体连接，即（１）插 入式接管（见图５）；（２）翻边式接管（见图６）；（３）嵌 入式接管（见图７）。 节 图５插入式 图６翻边式 图７嵌入式 第三脱氢反应器采用的是插入式接管结构，受 制造技术条件的，这种结构型式在开工后不久 即造成焊缝开裂和与筒体连接区域变形严重，虽然 主要是由弹簧吊架调节问题引起弯矩过大造成的， 维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ９卷第８期 压 力 容 器 总第１１７期 但结构不合理的缺点却暴露无遗。 应用Ａｎｓｙｓ软件对这三种结构进行局部应力分 析，以蒸汽入口管为例进行分析，计算条件为：Ｐ＝ ０．１ＭＰａ；／２＝０．３３９；Ｅ＝１．２５×ｌＯＳＭＰａ；口＝１９４４× ．从图８、图９、图ｌ０三个应力分布图结果可以看 出：从理论数据上讲，结构受力状况以嵌入式接管为 最好（与筒体的对接焊缝认为是理想状态，焊接热影 响可以忽略不计），翻边式接管其次，插入式接管最 １０ ｍ／ｍ／℃；水平推力Ｆ＝４０００Ｎ；弯矩Ｍ＝２００００ Ｎ・ｍ。三种结构在上述条件下的应力分布及计算结 差。在生产过程中由于操作的压力、温度以及管路 所施加的推力、弯矩等载荷难免有所变化，设备制造 果见图８、９、１０。 ＾ Ｙｓ５．６．１ ＡＰＲ１１ ２ｏｏ２ ＮＯＤＡｌ０９：４８：５５ ＳＯＬＵＴＩ删 ＳＴＥＰ＝１ Ｓ嘴一ｌ ＤＩＸ聚～【．ｏｏｌｉ９２ ＾㈦ ｊ惭‰ 鲫驰 丫 —ｌ ＺＶ＝１ 叼Ｉ ．３６４８２２ 率ｘＦ～．ｏ３０４７２ ＊ＹＦ一，９４３７７８ ●ＺＦ～Ｉ ３８７ Ｚ ＩＩＩＪｎ 墓 ￣７８７＿９ｌＥＥ１０￣０７冒：｝２雒馏 ｌ７ 图８插入式接管应力分布图 ＡＮＳＹＳ ５．６．Ｉ ＡＩＲＩＩ ２００２ ０９：４ｆｉ：２７ ＮＯＤＡ１．ＳＯＬＵＴＩＯＮ ｓＴＥＰ—ｌ ＳＩＪＢ＝１ ＳＩ ３７７３４４ 船， ＳｌＸ １０６Ｅ＋０８ 墓雪 图９翻边式接管应力分布图 图ｌ０嵌入式接管应力分布图 不可避免产生的各种缺陷，接管与简体的对接焊缝 并非理想状态等，因此，高温脱氢反应器大的接管连 接应采用挠性结构，尽量避免采用刚性结构，以减少 焊缝处的应力集中，所有承受外力作用的接管应进 行应力分析计算后确定。等厚度翻边式结构比较适 用于高温脱氢反应器的大的开孔结构，本次设计脱 氢反应器ＤＮ≥２００ｒａｍ以上的开孔都采用了等厚度 翻边结构 ４上部换热器结构 苯乙烯第二、三脱氢反应器上部的中间换热器， 属于管壳式换热器。由于壳程中过热蒸汽流速快， 当横向穿越管束时，可能激发管子振动或声振动。 如果振动剧烈到一定程度，将导致管子疲劳破坏或 撞击折流板孔边而被切断。通过计算来改变布管形 式以减小振动。第二脱氢反应器采用同心圆排列方 式（见图ＩＩ），从而代替第三脱氢反应器的布管形式 图ＩＩ同心圆排列简图 （三角形排列方式）。采用同心圆排列所产生的振动 要比顺排管束小得多，这样既减小了压力降，同时又 提高了传热效率。 收稿日期：２ＯＯ２—０５—１５ 作者简介：刘明福，男，１９６４年生，抚顺石油化工设计院设备 室审核人，高级工程师。通讯地址：辽宁省抚顺市浑河北路 ｌ６号，邮编：Ｉ１３００６。 ・２３・
