氨合成塔封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

曾玲芝

（長沙威重化工機(jī)械有限公司）

氨合成塔封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

曾玲芝*

（長沙威重化工機(jī)械有限公司）

按GB 150規(guī)范對氨合成塔的封頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核；利用ANSYS軟件建立封頭模型并對該模型進(jìn)行了應(yīng)力分析；選擇封頭對應(yīng)處的ANSYS計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典公式計(jì)算結(jié)果作對比，檢驗(yàn)了ANSYS結(jié)果的正確性。

氨合成塔 封頭 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 應(yīng)力分析 壓力容器

目前，國內(nèi)氨合成塔的常規(guī)設(shè)計(jì)采用彈性強(qiáng)度理論，用較大的安全系數(shù)來保證其安全性，局部設(shè)計(jì)采用近似計(jì)算。而分析設(shè)計(jì)使用的ANSYS軟件能夠很好地模擬計(jì)算各種工況下的應(yīng)力水平，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本文按GB 150規(guī)范對氨合成塔的封頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核；利用ANSYS軟件對該封頭模型進(jìn)行應(yīng)力分析，獲得了幾個(gè)重要的結(jié)論。

1 球形封頭強(qiáng)度計(jì)算及校核

氨合成塔球形封頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，所用材料為Q345R。設(shè)計(jì)溫度下球形封頭的計(jì)算厚度 δ為：

式中 δ——球形封頭的計(jì)算厚度，mm；

圖1 封頭結(jié)構(gòu)

2 球形封頭應(yīng)力分析

容器開孔后，在孔邊附近的局部地區(qū)會達(dá)到很大的應(yīng)力值。壓力容器中這種應(yīng)力集中現(xiàn)象，通常用應(yīng)力集中系數(shù)來表示。

（1）經(jīng)典力學(xué)計(jì)算

①對于球殼上平齊接管，由

計(jì)算出接管1應(yīng)力集中系數(shù)

（2）有限元計(jì)算

考慮到模型的不對稱性，建模時(shí)采用全模型，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用solid 185實(shí)體單元，以自由方式與掃掠方式劃分網(wǎng)格，其網(wǎng)格圖如圖3所示。

①接管端面施加平衡面載荷，應(yīng)力云圖見圖 4～圖 7。

圖2 球形封頭實(shí)體模型

圖3 球形封頭網(wǎng)格模型

圖4 球殼Z-X軸周向應(yīng)力云圖

圖5 球殼Z-XY軸周向應(yīng)力云圖

圖6 球殼Z-X徑向應(yīng)力云圖

圖7 球殼Z-XY徑向應(yīng)力云圖

②筒體及接管內(nèi)壁施加設(shè)計(jì)壓力。

約束條件：

①約束筒體端部的軸向位移，并且在x=0的節(jié)點(diǎn)上分別約束X方向位移；

②在y=0的節(jié)點(diǎn)上分別約束Y方向位移。

所得球殼周向應(yīng)力云圖見圖4、圖5；球殼的徑向應(yīng)力與軸向應(yīng)力云圖見圖6～圖9；球殼的應(yīng)力強(qiáng)度云圖見圖10～圖11；球殼的位移變化見圖12～圖 13。

圖8 球殼Z-X軸向應(yīng)力云圖

圖9 球殼Z-XY軸向應(yīng)力云圖

圖10 球殼Z-X軸應(yīng)力強(qiáng)度云圖

圖11 球殼Z-XY軸應(yīng)力強(qiáng)度云圖

圖12 球殼Z-X軸位移云圖

圖13 球殼Z-XY軸位移云圖

由圖可知，除開孔區(qū)外，其它區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度小于170 MPa，均滿足強(qiáng)度要求。

（3）各接管的孔邊緣應(yīng)力

各接管的孔邊緣應(yīng)力云圖見圖14～圖16。

由圖14接管1孔邊緣應(yīng)力云圖，得到孔邊緣處的最大應(yīng)力為σmax=238.45 MPa，故應(yīng)力集中系數(shù)為：

圖14 接管1孔邊緣應(yīng)力云圖

圖15 接管2孔邊緣應(yīng)力云圖

圖16 接管3孔邊緣應(yīng)力云圖

由圖15接管2孔邊緣應(yīng)力云圖，得到孔邊緣處的最大應(yīng)力為σmax=280.73 MPa，故應(yīng)力集中系數(shù)為：

由圖16接管3孔邊緣應(yīng)力云圖，得到孔邊緣處的最大應(yīng)力為σmax=243.11 MPa，故應(yīng)力集中系數(shù)為：

上述結(jié)果均與理論分析一致，說明了有限元計(jì)算的正確性。

由三個(gè)接管邊緣處的應(yīng)力計(jì)算可知，計(jì)算出的應(yīng)力值已經(jīng)超出了許可應(yīng)力值，且最大應(yīng)力值出現(xiàn)在球殼和接管的連接處，因此，應(yīng)進(jìn)行合適的補(bǔ)強(qiáng)處理。

3 結(jié)束語

（1）用GB 150規(guī)范對氨合成塔的封頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，球形封頭的名義厚度取140 mm，強(qiáng)度滿足要求。

（2）對于應(yīng)力集中和不連續(xù)應(yīng)力等在理論上難以解決的問題，利用有限元方法可計(jì)算出較精確的結(jié)果，能驗(yàn)證該壓力容器運(yùn)行的安全性。

（3）通過有限元計(jì)算可知，球殼和接管的連接處出現(xiàn)很高的應(yīng)力集中，應(yīng)進(jìn)行合適的開孔補(bǔ)強(qiáng)。

[1] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB 150-1998[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

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[6] 路秀林，王者相，等.塔設(shè)備 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Structural Design and Stress Analysis of the Ammonia Synthetic Tower Shell Cover

Zeng Lingzhi

The structural design and strength check of the ammonia synthetic tower shell cover was determined based on the standard of GB150；ANSYS software was applied to build the model of the shell cover and the stress analysis was carried out；by comparing the corresponding results calculated by the ANSYS software with the results calculated by the classical formula，the validity of the results calculated by the ANSYS were verified.

Ammonia synthetic tower； Shell cover； Structure design； Stress analysis;Pressure vessel

TQ 052.4

*曾玲芝，女，1980年6月生，工程師。長沙市，410100。

2011-03-21）