高壓加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)強度分析

陳 慶，王茂廷，馬文濤，石崇夫，李 偉

（1．遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001；2. 中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，山東 青島 266000； 3. 遼河油田油氣集輸公司，遼寧 盤錦 124000）

加氫反應(yīng)器在煉油、化工行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，在煉油工業(yè)中，高壓高溫加氫精制技術(shù)已經(jīng)超過半個世紀的歷史。該類設(shè)備承受壓力高結(jié)構(gòu)特殊，受力復(fù)雜，造價昂貴。使用常規(guī)設(shè)計方法往往存在材料的浪費，安定性不足等問題。使用分析設(shè)計的方法可以降低材料的安全系數(shù)，采用較高的許用應(yīng)力，并能夠?qū)Y(jié)構(gòu)做出詳細的應(yīng)力分析。本文以某化工廠加氫反應(yīng)裝置為例，對加氫反應(yīng)器物料出口、卸料口、下封頭部位采用有限元軟件ANSYS對該設(shè)備進行有限元分析[1,2]。

1 有限元

有限元法是適應(yīng)于電子計算機的使用而發(fā)展起來的數(shù)值計算方法，有限元認為：整體結(jié)構(gòu)可以看作由有限個力學(xué)小單元互相連接而組成的集合，得到每個單元的解，組合起來就能得到整體結(jié)構(gòu)的解。在分析求解時，必須對單元位移的分布做出一定的假設(shè)，即選擇一個簡單的函數(shù)來近似的表達單元位移分量隨坐標變化的分布規(guī)律，這種函數(shù)稱為位移函數(shù)。根據(jù)選定的位移模式，用節(jié)點位移表示單位內(nèi)認一點的位移，其矩陣表達形式[3,4]為：

式中：{ f }—單元內(nèi)任一點的位移矩陣

{δ}e—單元節(jié)點位移陣列

{ N }—形函數(shù)矩陣

根據(jù)所有相鄰單元在公共節(jié)點上的位移相同和每個節(jié)點力與節(jié)點載荷保持平衡的原則，形成總的剛度方程：

式中{ R }為總的剛度矩陣。

2 高壓加氫反應(yīng)器模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

加氫反應(yīng)器的下封頭簡圖如圖1所示，主要有下封頭，出料口，卸料口，法蘭接管都組成。筒體內(nèi)徑3 200 mm，設(shè)計壓力19.9 MPa，水壓試驗壓力28.9 MPa，設(shè)計溫度450°C。

圖1 封頭結(jié)構(gòu)模型圖Fig.1 Head structure model diagram

2.2 材料屬性

主要受壓元件為 12Cr2Mo1VR鋼板和12Cr2Mo1V，各材料均在線彈性范圍內(nèi)。材料在各個溫度下的材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

2.3 有限元模型

出料口由于物料的原因存在管口載荷，對整體模型使用Solid186單元進行網(wǎng)格劃分。整個模型都采用六面體網(wǎng)格，共計單元數(shù)27 134，節(jié)點數(shù)135 238。劃分單元后的有限元模型如圖2所示。在本文的加氫模型中，在出料口出還存在管口載荷，由于有限元軟件ANSYS中對實體單元Solid186不能直接施加彎矩和扭矩載荷，因此使用MPC184單元對出料口法蘭處施加管口載荷。

2.4 邊界條件

（1）上封頭處施加完全固定約束；

（2）物料出口施加端面載荷：P =-3.2 MPa；

（3）卸料口施加端面載荷：P =-20.8 MPa；

（4）內(nèi)壓載荷：設(shè)計壓力P =19.9 水壓試壓載荷P =28.9 MPa；

（5）物料出口法蘭處施加管口載荷：FX=20 kN,FY=20 kN, FZ=20 kN, MX=40 kN·m, MY=40 kN·m MZ=40 kN·m。

3 有限元分析結(jié)果

封頭在設(shè)計壓力下的第三強度當量應(yīng)力云圖如圖3所示。危險截面主要發(fā)生在封頭法蘭處和出料口彎管處。

圖2 封頭有限元模型Fig.2 Finite element model of the head

如圖4是接管法蘭應(yīng)力云圖，法蘭處的應(yīng)力最大值達到了324.5 MPa。這主要是由于在此區(qū)域的結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的應(yīng)力集中，此處的應(yīng)力應(yīng)屬于局部應(yīng)力，具有自限性。如圖5是彎管的應(yīng)力云圖，此處的應(yīng)力主要是由于管口載荷引起的，造成了很大的彎曲應(yīng)力。

圖3 封頭整體第三強度當量應(yīng)力云圖Fig.3 The head overall strength equivalent stress cloud

圖4 封頭法蘭第三強度當量應(yīng)力云圖Fig.4 Head flange strength equivalent stress cloud

封頭在水壓試驗壓力下的第三強度當量應(yīng)力云圖如圖6所示。最大應(yīng)力發(fā)生在封頭法蘭處。最大應(yīng)力達到了503.3 MPa。主要是由于壓力在此不連續(xù)處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力集中造成的。

圖5 彎管第三強度當量應(yīng)力云圖Fig.5 The elbow strength of equivalent stress cloud

圖6 水壓試驗下封頭整體第三強度應(yīng)力云圖Fig.6 Hydrostatic testing under head overall strength stress cloud

4 強度評定

圖7 評定路徑Fig.7 Assessment path

根據(jù) JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標準》將下封頭、法蘭、接管的危險截面進行等效線性化處理，得到在截面的上的主應(yīng)力，通過主應(yīng)力即可得到第三強度當量應(yīng)力，并分別歸為一次總體薄膜應(yīng)力（PL），一次局部薄膜應(yīng)力（Pb），二次應(yīng)力（Q），峰值應(yīng)力等。路徑選取的原則是通過應(yīng)力最大處，并沿壁厚的最短距離處[5,6]。在設(shè)計載荷下取 4條路徑（1-4）進行評定，在水壓試驗下取 3條路徑（5-7）進行評定，其中5-7分別對應(yīng)1-3。(圖7，表 2)。

表2 各評定路徑的評定結(jié)果Table 2 The evaluation results of the evaluation path

5 結(jié) 論

（1）出料口法蘭出存在的管口載荷對出料口彎管早成了比較大的彎曲應(yīng)力

（2）采用ANSYS軟件能夠準確反應(yīng)出各個部位的真實應(yīng)力狀態(tài)，方法簡單實用，為應(yīng)力評定提供了準確的參考和依據(jù)

（3）通過計算在下封頭法蘭處還有一定的裕量，可以對下封頭法蘭進行結(jié)構(gòu)上的改進和優(yōu)化。

［1］余偉煒，高炳軍，等．ANSYS在機械與化工裝備中的應(yīng)[M]．北京：中國水利水電出版社，2007．

［2］ 凎胡兆吉， 吉昌，涂文鋒．卡箍式快開問壓力容器的有限元接觸分析[J]．壓力容器，2012,29（3）：12-16．

［3］王勖成．有限單元法[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003．

［4］明萬，徐鴻．分析設(shè)計中若干重要問題的討論（一）[J]．壓力容器，2006，26（1）：15-19．

［5］JB 4732—1995鋼制壓力容器—分析設(shè)計標準[S]．

［6］GB 150—2011鋼制壓力容器[S].