董俊龙* 周小锡 潘 非
（青岛兰石重型机械设备有限公司）
精对苯二甲酸（PTA）是重要的有机原料，被广泛应用于化工、纺织、轻工、电子、建筑等领域。近年来，聚酯产业蓬勃发展，相关产品产能持续增加，我国PTA的下游产业以及聚酯类产品生产规模不断扩大，产品种类越来越多，应用也越来越广泛，导致PTA产品的市场价格一直居高不下，因此国内市场对PTA加氢反应器的需求也与日俱增。综上所述，PTA装置越来越受到国内外的设计院、工程公司和装备制造商的青睐与重视。
PTA 加氢反应器是PTA 装置中的核心设备，保证加氢反应器稳定运行是PTA装置稳定运行的关键，要保证PTA反应器稳定运行，就需保证冷氢原料持续不断地进入反应器。因此PTA反应器冷氢入口的结构稳定性显得尤为重要。
PTA反应器中，对苯二甲酸（TA）溶液温度经过预热器加热到282～290 ℃，进入加氢反应器（如图1所示），反应器内部填装Pd/C催化剂，在催化剂的作用下，TA溶液与含有饱和蒸汽的氢气（40℃）发生反应。TA溶液与氢气由反应器顶部的物料入口与氢气入口注入，在满液位浸泡的Pd/C催化剂中， CTA 中的4-CBA 被还原成水溶性的PT酸，再进入结晶器结晶。TA加氢反应为放热反应，反应温度（270～300 ℃）与反应压力（6.8～9.0 MPa）都比较高，且在反应过程中需要持续通入40 ℃的氢气。因为氢气进入反应器的温度较低，因此冷氢接管在承受内压载荷的同时还要承受由冷氢产生的200 ℃以上温差载荷，属于复杂的机械-热耦合应力状态，由温差带来的应力不容忽视，因此在设计PTA反应器时，有必要对冷氢管进行机械-热耦合的应力强度计算。
2.1 PTA反应器设计参数
现以某公司制造的PTA加氢反应器为例，该设备设计参数如表1所示。
表1 反应器设计参数
2.2 冷氢口结构尺寸
PTA加氢反应器为固定床结构反应器，容器上部设置有溶解罐、液体分布器，下部设有带过滤装置的出口收集器。反应器是典型的带裙座立式容器，反应器的接管大多布置在上封头处，而冷氢口就布置在上封头人孔的人孔盖上。如图1所示，法兰盖上部设置补强管，冷氢口与排气口通过三通与补强管相连，冷氢管插入容器内部。
图1 冷氢口结构尺寸
2.3 材料选择及性能
PTA加氢反应器介质中包含氢气，因此需考虑氢腐蚀和氢气对材质的影响，反应器的主体结构选用抗氢钢SA-336 F22 CL.3。由于反应产物腐蚀性较强，容器内部与介质接触的部位全部堆焊镍基材料。在冷氢口结构中，人孔盖和补强管的材料均为SA-336 F22 CL.3+堆焊，而三通与法兰的材质选择S32168不锈钢锻件。SA-336与S32168不锈钢的力学性能如表2所示，材料的许用应力可根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定的安全系数计算得到。由于需要对冷氢口结构进行温度场分析，因此查询ASME ⅡD和GB 150—2011《压力容器》及GB/T 151—2014《热交换器》，得到不同温度下SA-336、S32168和保温材料的平均线膨胀系数、平均导热系数，以及不同温度下SA-336、S32168的弹性模量。
表2 材料力学性能参数
注：Rm——材料抗拉强度；
ReL——材料屈服强度；
μ——材料泊松比；
Et——材料在设计温度下的弹性模量；
Sm——材料在设计温度下的设计应力强度
2.4 模型、载荷和约束
2.4.1 几何建模
根据冷氢口的结构与载荷特点，在某些反应器中，冷氢口可能受到管道载荷的作用，因此在建模时考虑采用三维整体建模。模型应包括人孔法兰、人孔盖、补强管、三通、法兰以及保温层，由于此处不分析人孔法兰与法兰盖的螺栓连接作用，因此将人孔法兰与法兰盖作为整体建模，不考虑螺栓的情况。
2.4.2 有限元模型
温度场分析时采用SOLID90单元，机械载荷分析采用SOLID186单元。对结构进行网格划分，保证大部分网格为六面体网格，网格划分完成后，该结构共有224 951个单元，604 628个节点。对网格进行无关性验证，单元密度需满足网格无关性要求。
2.4.3 载荷与约束
由于设备操作温度是287 ℃，而冷氢进口温度保持在40 ℃，因此可以看做稳态热分析。设备内壁及冷氢管外表面的温度边界为设备操作温度为287 ℃，对流传热取经验值，即1.18×10-3W/（mm2·℃）。冷氢管持续通入40 ℃冷氢，因此冷氢管内表面温度边界为40 ℃，对流传热系数取经验值，在外保温层施加环境温度和与外界空气的对流传热系数1.2×10-5W/（mm2·℃），如图2所示。热分析时不设置约束条件。
图2 冷氢口热分析边界条件
进行机械-热耦合应力分析时，在法兰及接管内表面施加内压载荷，在接管端面施加内压等效载荷，在法兰底部施加环向与轴向约束，并且将热分析得到的温度场导入到应力分析中，作为温度边界条件。机械-热耦合应力分析载荷与约束条件如图3所示。其中接管端面等效载荷应按下式计算：
图3 机械-热分析边界条件
式中：F——接管端面等效力，N；
pc——设备所施加的内压，MPa；
Di——接管内径，mm。
2.5 应力分析结果
由热分析得到的温度场如图4所示，结果表明，人孔法兰盖径向的温度梯度较大，内壁开孔处温度为129 ℃，到1/3半径处温度就增大到268 ℃，较大的温差必然导致产生了较大的温差应力。
图4 冷氢口温度场云图
冷氢口结构机械分析应力云图及机械-热耦合分析应力云图如图5和图6所示。由计算结果可知，当不考虑温度场时，冷氢口结构的应力最大值仅为116 MPa，位于补强管根部。在机械分析中考虑温度场后，该结构的最大应力变为549 MPa，位于法兰盖开孔内壁处。这是由于冷氢接管温度低，设备内部温度高，导致法兰盖径向温差较大，温差应力也大，因此法兰盖开孔内壁处的局部应力较大，这与实际运行情况相符。两种分析结果相差较大，表明在PTA反应器冷氢口结构的设计校核中，不能只考虑机械载荷的影响，应当考虑机械与温度载荷的共同作用，对此处进行机械-热耦合分析。
图5 机械分析应力云图
图6 机械-热耦合分析应力云图
2.6 应力强度评定
该设备分析设计时，应力分类应按分析设计标准中的表4-1，应力评定按分析设计标准中表5-1，即一次应力强度用设计工况，而一次加二次应力强度与峰值应力强度用工作工况（本分析中压力使用设计压力，结果偏保守）。在工作工况下，法兰盖开孔内壁处应力最大，因此对法兰盖进行应力强度评定，应力评定路径如图7所示，对所选取路径进行应力线性化处理，应力强度评定结果如表3所示，该结果可满足标准要求。载荷系数K可见分析设计标准中的表3-3。
图7 冷氢口应力评价路径
表3 应力强度评定结果
通过以上分析可知，进行PTA反应器冷氢口设计校核，必须考虑冷氢入口温度的影响，对该结构进行应力分析时应建立机械-热耦合模型，再进行应力计算。通过计算可知，该结构中人孔盖开孔处的应力较大，因此在冷氢口结构设计中应着重考虑人孔盖与冷氢管连接部位的结构以及补强管的设置情况。在冷氢口结构的制造中也应着重考虑此处的制造工艺。人孔盖与补强管的焊接应采用全焊透结构，尽量减少或避免焊接缺陷。补强管与法兰盖开孔内径在焊接前应留有余量，焊接后应从内部钻至所需要的尺寸，以便清除焊缝内部的未焊透或气孔缺陷。焊后应进行100%射线或超声检测，并在接管组装后按相应的热处理规范进行焊后热处理，以消除焊接产生的残余应力，提高此处强度与使用寿命。
根据PTA反应器载荷工况进行分析后可知，PTA反应器中冷氢入口结构处存在机械-热耦合作用。通过使用有限元分析软件，对PTA加氢反应器中冷氢口结构进行机械-热耦合应力分析与强度评价，得到结构中危险路径的应力值均小于许用值，符合评定标准要求。并根据计算结果提出了冷氢入口结构的设计和制造中应注意的问题。该冷氢结构已运用到多个项目的PTA加氢反应器中，设备至今正常生产运行，且均达到设计年产量，证明了本结构及本评定方法的安全可靠性。
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