加氢技术在炼油化工行业中早已广泛使用，近年来，随着社会经济的快速发展，我国能源消费量急速增长。伴随能源需求的增多及环保要求的提升，使加氢技术在我国工业生产当中已占据非常重要的地位。目前在我国炼油化工行业中广泛应用的加氢技术主要装置有预加氢装置、加氢裂化、加氢精制装置等，而加氢反应器则是此类加氢装置中的关键设备，基于加氢反应器在装置中需要实现的工艺目的，通常加氢反应器均有一个共同的特点就是需在高温、高压及临氢状态下运行，这就在设备材料的选用、设备结构设计及制造过程中的焊接、热处理、无损检测等方面的要求均与普通设备有很大的不同。本文针对加氢反应器在主体结构设计及关键要求方面进行一个简单的介绍。1 概况
加氢反应器是炼油装置中的核心设备，一般在压力10～20MPa，温度400～450℃、临氢及硫化氢等条件下工作。由于其苛刻的操作条件，在设计时除应考虑承受压力和温度的载荷采用合适的壁厚外，还需在防止发生氢脆、氢腐蚀、硫化氢应力腐蚀、Cr-Mo钢回火脆化、堆焊层剥离等方面提出材料、热处理、无损检测等方面的措施和要求。随着我国冶炼及锻造水平的提高，目前我国炼油行业中普遍使用的是热壁、单层卷焊或锻焊加氢反应器，所用材料也已基本国产化。设备结构一般由筒体、封头、裙座、油气出入口、催化剂卸料口、冷氢口、热电偶口、人孔及内件组成。一般内件由专业厂家设计并制造。
2 主体材料选用
加氢反应器设计时一般根据设备内部氢分压和使用温度按美国API RP941《钢在氢环境中的操作极限》即纳尔逊曲线选取相应的材料。
依据操作条件，加氢反应器一般选用Cr-Mo钢材料，较为常见的有14Cr1Mo、12Cr2Mo1、12Cr2Mo1V 等。14Cr1Mo、12Cr2Mo1材料的应用已较为成熟.但随着近年来加氢装置规模的不断扩大，加氢设备直径逐渐加大，使用12Cr2Mo1材料壳体壁过厚，在材料制造及设备的制造、运输和安装上困难加大。12Cr2Mo1V材料在原12Cr2Mo1的基础上添加了0.2%～0.3%的钒等元素使其有更高的强度及更好的抗高温回火脆性及抗堆焊层氢剥离性能，在减小产品重量上有一定的优势，所以近年来也广泛使用于加氢反应器上。但随着其强度的提高其裂纹敏感性极高，产品制造难度大幅增加，虽然目前国内部分制造厂已具备较为成熟的制造经验，但在设计选材时也需按实际情况进行最佳的材料选择。
虽然加氢反应器设计时选用了具有优异的抗氢腐蚀和耐高温性能的Cr-Mo钢材料，但仅凭壳体材料也是无法满足其内部苛刻的工作条件，为此会在其内壁堆焊不锈钢耐蚀层来增加其耐腐蚀性能，耐蚀层的堆焊一般有单层和双层两种。目前，一般采用的是E309L+E347双层堆焊结构，E309L作为过渡层保证了母材和堆焊层的结合强度，E347保证了其表面耐腐蚀性能。内壁堆焊能在一定程度上避免主体受压元件的氢腐蚀、高温高压硫化氢腐蚀、硫化物应力腐蚀等现象。但是奥氏体不锈钢堆焊层的氢脆现象、内表面硫化氢腐蚀现象及Cr-Mo钢本体的回火脆性破坏及堆焊层的剥离也是该类产品发生破坏的主要形式，为此在设计时对材料的化学成分、力学性能、热处理、回火脆化敏感性检验等方面均提出了较高的要求，
此处不做详细介绍。
3 主要结构的设计
3.1 筒体设计
reactor的特点加氢反应器筒体一般采用单层板焊或锻焊结构。
锻焊容器虽然因无纵向焊接接头而有一定的优势，但其材料成本却比板焊容器高很多，所以一般仅在壳体壁厚超过材料制造上限时选用。
3.2 封头设计
由于球形封头具有均匀分布的两向应力，其受力状况最优，所以在加氢反应器中被优先选用。当设备直径较小时，多采用筒体与封头等厚的原则进行设计，而随着设备直径的加大封头及筒体的厚度也随之增大，等厚设计则会显得十分不经济、合理。对于制造厂来说封头的制作也会受到设备能力的限制，这时在设计上就会采用等强度的设计原则，即封头与筒体采用“球缺”连接的形式。球缺封
加氢反应器的设计
张银顺
兰州兰石重型装备股份有限公司 甘肃 兰州 730314
摘要：加氢反应器高温、高压、临氢等特点使其在材料选用、结构等方面较为特殊，与常见的中低压容器有所不同，设计时应选用合理的材料、采用合理的结构才能确保其既能便于制造和检验，又能满足设备的使用要求，文章对加氢反应器的设计进行了简单的概述。
关键词：高温 高压 筒体 封头 过渡段
Design for hydrogen reactor 
Zhang Yinshun
Heavy Equipment Co.，Ltd.，Lanzhou Petrochemical Co.，Lanzhou 730314，China Abstract：The severe operating environment in the hydrogen reactor such as high temperature，high pressure and hydrogen condition leads to the special material selection and structural design，which are different from common middle and low pressure vessels. Reasonable materials and structure ensure the manufacture and inspection and meet the operating requirement of the equipment. This paper describes the design for hydrogen reactor.
Keywords：high temperature；high pressure；cylinderical shell；head；transition section
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头是球形封头的一部分，受内压时，球形封头的计算厚度可取筒体厚度的1/2，既能节省材料，降低成本，减轻产品的重量，为起重运输带来方便，又能因球冠封头的曲率半径比筒体的半径稍大一些，球形封头与筒体对接点以下部分被切除，而该部分由筒体代替，这样就扩大了筒体的有效利用体积。
如上所述，要使球形封头的一部分成为筒体，就必须使球冠形封头半径（SR）略大于筒体半径（Ri），对此GB150.3 附录D中2.2条筒体与球冠封头的连接中有明确的
规定，即
，
，
。
其中，e 为
筒体厚度（）与球冠封头厚度（）的中心线在球冠封头厚度延长成球形封头时在切线处厚度中心线的偏移量，限制e值欲保证球冠封头延长至切线处时，外径或内径不得超过筒体的外径或内径，以此保证产品在几何形状上的连续性，减小局部应力。一般取e=0，即筒体和封头厚度的中心线在切线位置处相重合，还应保证，
如图1所示，为筒体内外径与球冠形封头在焊缝处切线
的夹角，内、外径处的
均应小于14°.
                图1 筒体与球缺封头的连接
上、下球冠形封头SR一般取相同大小，但对接焊缝处的直径大小可不一样，上封头边缘直径取决于筒体的直径，而下封头直径大小取决于过渡段的要求。
3.3 裙座连接处设计
由于加氢反应器本身高温、高压的特点，致其本身的重量很大，再加上使用时内部装有大比重的催化剂、油品和内件，使其壳体和裙座连接处承受很大的应力，若采用常规封头与裙座的连接形式则很难保证此处的安全，早期的使用中此处也出现过焊接接头被剪断的重大事故。为避免此类事故的再次发生，经过实践经验，目前设计中通常采用把筒体、下封头和裙座三者交汇处做成一个整体形成
一个整体过渡段的结构，具体结构见图2。
图2 过渡段
以上结构中过渡段上部与筒体厚度相同，下部与裙座和球冠形封头相接处的尺寸与裙座和封头厚度分别相等。其余尺寸均在考虑满足强度、标准要求及制造的可实现性和便利性等方面综合考虑后给定。
按图3所示，过渡段下部有两个连接部位，即连接裙座的部位和连接封头的部位。这两个部位之间为了减少应力集中，加大抗剪面积，又能让过渡段与裙座和球冠形封
头形成对接接头，在裙座与封头之间需有一个平台a ，a 值越大，抗剪面积越大，也便于加工。但a 值过大，锻件就越大，成本也就会增加。a 的两端应有圆角过渡，来减少应力集中，一般选R
=20mm。
图3 连接处详图
连接裙座部分的厚度按裙座厚度确定的，取与裙座外径平齐。过渡段与裙座对接的凸出部分长度要考虑加工方便和检测的需要，按经验确定。为了保证焊接质量，需要在坡口根部再加工一个凸出部分作为焊接垫板，以便装配裙座筒体，保证焊接质量。待焊接完毕后，焊接垫板应全部加工掉，并对焊接接头内外表面进行100%MT的表面无损检测。
h4的确定与过渡段和下封头的焊接接头焊接方法有关，为方便自动焊机施焊，此坡口应垂直于筒体中心线。
此外，与过渡段连接处的裙座材质应与壳体材质相同，且长度≥500mm。另外，为了减小塔壳与裙座连接部位的温度梯度，降低连接处的温度应力水平，加氢反应器还在裙座上部设置了热箱结构，这种加隔热圈的热箱结构目前已在此类设备上广泛使用，效果良好。
3.4 热处理
热处理是保证加氢反应器安全使用的必要措施。预
热、后热、最终热处理缺一不可。预热和后热可使焊接接头内的氢向外扩散有效避免Cr-Mo钢焊接接头延迟裂纹的产生，也降低了焊接接头的冷却速度，减少接头淬硬倾向并降低了焊接残余应力。而最终热处理可进一步消除焊接残余应力、恢复焊接接头塑性、韧性，尽可能将残余的氢驱除，改善焊接接头的力学性能。另外由于Cr-Mo钢材料均在正火或正火+回火状态使用，所以在制造过程中任何部件热成型后均需进行恢复力学性能的热处理。
3.5 无损检测
由于加氢反应器的操作条件极为苛刻，而所用Cr-Mo 钢材料在制造过程中，尤其是焊接时又极易出现冷裂纹等各种缺陷，这种缺陷在焊接前、焊接过程中、焊接后、热处理前、热处理后、水压试验前、水压试验后均有可能出现，所以设计时对设备制造过程中各个阶段均提出了无损检测的要求。一般可检测部位在热处理前均应进行100%射线（或TOFD）无损检测；在中间热处理后、最终热处理前及水压试验后还应进行100%超声检测；焊接坡口焊接前、焊接接头焊接后、热处理后、水压试验后、及焊缝清根后缺陷返修及连接附件去除后均应进行100%磁粉检测。
4 结束语
随着我国钢材冶炼水平和装备制造能力的提高及加氢技术工艺的优化，加氢反应器在材料使用、结构设计、制造工艺方面一直在优化过程中，目前所使用的材料和结构已基本满足其使用性能，但未来如在此
方面有进一步节能、安全、可靠的优化也是值得期待的。
参考文献 
[1]GB150.1—4-2011压力容器[S].
[2]李世玉主编.压力容器设计工程师培训教程[M].

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