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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"+,!-.,
!"
/新材料，同时采用了有限元分析设计法，因此不仅降低
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：!##$,44#5（%##%）#5,##!#,#6
%前言
近年来，加氢设备特别是加氢反应器日趋大型
化，传统的+,-.抗氢钢已显示出了它的不足，对
于高温高压大直径的加氢反应器，其壁厚、吨位越
来越大，目前已设计出壁厚在%5#77以上，质量近
!###’的反应器，这样给设计、制造、运输、安装等
带来了诸多不便。采用新型抗氢钢已不仅仅是节
省投资的问题，而是技术发展和国产化的需要。当
今国际上（如美国材料工程学会、日本制钢所等）已
成功使用了"+,!-.,
!"
/新型的高强度抗氢钢，
使加氢反应器的进一步大型化成为可能。这种新
型抗氢钢是国外近十年来开发成功的，特别是日本
制钢所早在%#世纪4#年代末就将"+,!-.,
!"
/
钢用于加氢反应器的制造。!22$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
!224年也开发出了"+,!-.,
!"
/新型抗氢钢，并
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"+,!-.,
!"
/钢，并在技术
上有所提高。
)反应器的设计参数
加氢精制反应器（89!#!）设计参数：设计压
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"$##77；切线长度!@#"#77。
加氢裂化反应器（89!#%）设计参数：设计压
力!!:#"-;)；设计温度66#<；介质为油气、=
%
、
=
%
>，其中=
%
>体积含量为#:!?；氢分压4-;)；
反应器内径"$##77；切线长度!6$4#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"+,
!-.,
!"
/钢。综合考虑结果，这两台反应器的基
层材料选用"+,!-.,
!"
/钢。内表面堆焊层：厚
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-;)，!56:$-;)，二者相比，前者比后
者应力强度高4?左右。通过对比计算，选用
"+,!-.,
!"
/钢后，两台反应器壳体质量可以减
收稿日期：%##%,#%,#%
作者简介：栾海林（!2$@—），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。
少约!"#，既节省材料，又方便运输和吊装。$%&’
()’
!"
+钢之所以有较高的应力强度：一是从冶
炼和锻造工艺技术上保证了钢材的高纯洁、高致
密、高均匀性；二是通过“锻后热处理”、“性能热处
理”这两道关键工序，得到的是充分的下贝氏体组
织。对于钢材的组织来讲，若杂质少、致密性强、金
相组织均匀，就能获得较高的强度和韧性；而下贝
氏体组织本身就具有优良的综合机械性能，它能将
较高的强度和塑性与韧性很好的配合。下贝氏体
的亚结构高密度位错以及细小碳化物在下贝氏体
铁素体内沉淀析出，是保证下贝氏体具有优良综合
机械性能的主要原因
〔(〕
。弥散分布的细小碳化钒
粒子也可提高钢的高温强度。
另外，与,
!"
%&’()钢相比，$%&’()’
!"
+钢
中-.和%&的含量有所不同，前者-.
!
"/,"0，%&
1,/"02,/!0，后者-.
!
"/("0，%&1,/3!02
$/,!0。一般情况下，降低-.的含量可以提高钢
的高温韧性，相反增加%&的含量可以提高钢的高
温强度，这也是$%&’()’
!"
+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
+
$
%
4
，当钒含量低时钢中同时共存的基本上是纯
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
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
%发生反应生成甲烷（%8
4
），造成甲烷鼓泡，它与
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
$%&’()’
!"
+钢除了设计应力强度高、抗氢蚀
能力强以外，还有很多其它的优点，如抗回火脆化
能力强，不易出现奥氏体不锈钢堆焊层剥离现
象。有关部门的调查结果表明，国内目前在用的
,
!"
%&’()钢制加氢反应器，运行4年后，无堆焊
层的壳体内表面有微观裂纹产生；带堆焊层的壳体
内侧出现堆焊层与基体剥离现象。从国外的检查
结果来看，,
!"
%&’()钢在4!47以下有的设备出
现了回火脆化，$%&’()’
!"
+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
$%&’()’
!"
+还没有进入压力容器的标准规范
中，这次设计中选用$%&’()’
!"
+钢，旨在加快此
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。
$%&’()’
!"
+钢回火脆性控制指标：
;）回火脆性敏感系数
表%!&’(%)(
!"
+钢的化学成分0
元素%-.)<=-%&)>.%?-@-<9A+B.C
熔炼
分析
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2
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式中元素以百分数含量代入
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)
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334
）
式中元素以)
02
（
334
）含量代入。
-）回火脆化倾向评定试验结果
#$%,+$5
!
#$%,+
!
表!"#$%&’(%
!"
)钢的力学性能
!-
（室温）6
%’7
!81
（室温）6
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"+
（室温），
9
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（室温），
9
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（0)<=）6>
三个试样
平均值
允许一
个试样
!-
（+,=）6
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@2
"
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"
)<
"
+,
"
,+
"
+@
"
+,
!两台反应器的设计计算
!"#设计方法和引用标准
考虑到两台反应器操作压力、温度均相对较高
等因素，采用先进的“应力分析”设计方法，并利用
.A"B"有限元分析软件对反应器机械和温度载荷
进行分析计算。除了进行一般强度和稳定计算外，
还对关键结构不连续处及高应力区进行了详细的
应力分析。与常规方法相比筒体壁厚可减少
),9，所以，此方法不但安全可靠，还可节约设备投
资。
本次设计采用的主要标准规范有：>C+@510D,
《钢制压力容器—分析设计标准》，国家质量技术监
督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》，并参照
."%E
#
F1的有关部分。两种材料计算结果对比
见表5。
表$%
!"
&’(#)和$&’(#)(
!"
+计算结果对比
材质
精制反应器（G0))）裂化反应器（G0)1）
应力强度6
%’7
壁厚6
44
质量6
H
应力强度6
%’7
壁厚6
44
质量6
H
1
$%
IJF)%K),+82)+25,<),18<)+)5)2
5IJF)%KF
$%
;)2@)5,551)2,)5,1D1
质量差121+
两台反应器共计节省材料约,H。
!"%结构设计
7）总体结构。两台反应器总体结构基本相同。
筒体采用锻焊结构，这样筒体没有纵焊缝只有环焊
缝；封头采用的是球形封头，且球形封头与筒体的
对接焊缝落在球形封头切线以内（即球形封头被切
割一段，具体数值需经计算），对接基准为各自的中
性面。根据国内的实际加工能力，每个筒节的最大
长度不超过5244。
-）焊接结构。两台反应器所有承压焊缝全
部采用全焊透窄间隙结构，所有焊缝均经过)9
射线和)9超声波检测，并采用嵌入式接管。
L）冷氢管结构。冷氢管开口结构是反应器的
典型结构之一，如图)所示。在操作期间为控制反
应器内床层温度，需间断地向内注入急冷氢。由于
冷氢的温度大大低于器壁的温度，因此采用一般的
接管，会使接管与器壁的连接处产生很大的温差应
力，还会带来热疲劳问题。为减少此处温度梯度，
在冷氢管和开口接管之间加一个隔热套管。通过
数据分析和实际考验，此结构获得了令人满意的效
果。
图)冷氢管开口结构简图
M）裙座结构。考虑到两台反应器质量大及锻
焊结构的特殊性，在裙座与封头的连接处采用整体
锻件，并设置隔热箱，其示意图如图1所示。隔热
箱的主要作用也是解决温差应力问题。其原理是：
反应器内的高温热量通过器壁传到隔热箱内，隔热
箱内的空气将此热量通过平缓的对流形式传到外
侧的裙座壁上，使裙座壁的温差幅度有所缓解，这
样使裙座沿竖直方向单位长度梯度大大降低，避免
了过大的温差应力。
图1裙座隔热箱示意
·1)·
通过有限元分析计算，在危险截面上的总体组
合应力没有超出许用范围。
!主要技术要求
!"#材料方面的要求
由于有了新疆克拉玛依的!"#$%&’$
!"
(第一
台反应器的设计、冶炼和制造经验，本次设计在材
料的技术要求上，加严了有害元素含量的控制指
标。如)的含量（产品分析）由原来要求的
!
+,%-.改为
!
+,%+.；/的含量也由原来的
!
+,+%-.改为
!
+,+%+.。
!"$制造方面的要求
与-
!"
"#$%&’相比，!"#$%&’$
!"
(增加了元
素(，加大了本材料冶炼上的难度；还由于碳化钒
的原因，本钢材的硬度有所提高，也增加了锻造难
度，而且在焊接时电流、电压的波动范围要求较窄。
另外，为了保证产品的化学成分)
!
+,%+.，/
!
+,+%+.，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)
!
+,+0.，/
!
+,++0.。
!"%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
于!"#$%&’$
!"
(钢基体焊缝的化学成分分析，原
设计只要求检验"#，&’，&1，2，"3，(，)4&1等
元素。本次设计为了保证产品质量，要求按表%中
的控制指标对所有的元素进行检验。
&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）。这
两台加氢反应器在设计上是先进可行、安全可靠
的，在总体技术要求方面，等同或略严于国外同类
反应器的技术要求。
本次设计为!"#$%&’$
!"
(反应器的国产化，
以及新型抗氢钢的推广应用起到了积极的促进作
用。
参考文献：
%史美堂,金属材料及热处理［&］,上海：上海科学技术
出版社，%56+7-08
-余宗森,钢的高温氢腐蚀［&］,北京：化学工业出版
社，
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
%5697:8+
（上接第5页）
材的平均应力修正公式，对提高反应管疲劳强度计
算结果固然可取。但因反应管实际服役条件苛刻，
反应系统庞大而复杂，不同位置的反应管的材质劣
化情况会有不同，模拟实验与实际情况很难完全一
致，加上反应器内介质压力很高，并具易爆性，反应
器本身又不具备检验工作的敞开性，为保证设备的
安全运行，建议采用偏安全的;’’<=>1修正公式。
参考文献：
%汲寿广，张绍武,超高压管式反应器疲劳裂纹萌生寿命
的损伤力学算法研究［?］,石油化工设备技术，-++%，--
（:）：8@5
-邵国华,超高压容器设计［&］,上海：上海科学技术出
版社，%56:
!郑修麟,金属疲劳的定量理论［&］,西安：西北工业大
学出版社，%55:
:中国石油天然气集团公司科技发展部,超高压反应器
A:+%安全评定成果鉴定［"］,北京：国家科学技术委员
会，%555
0朱瑞东，潘秉智,自增强厚壁筒残余应力松弛的研究
［?］,石油化工设备，%55+
8汲寿广,在役超高压反应器安全分析与评定［B］,安
达：大庆石油学院，
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
-+++
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·!%·
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