化工生產(chǎn)裝置換熱器大開孔補(bǔ)強(qiáng)模擬計(jì)算研究

祝明威，郭濱詩(shī)，李 威，張春吉

(1．吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2．吉林化工學(xué)院 后勤管理處，吉林 吉林 132022；3．中國(guó)石油吉林石化公司 聯(lián)力公司，吉林 吉林 132021；4．中國(guó)石油吉林石化公司 電石廠，吉林 吉林 132021)

中國(guó)石油吉林石化公司丙烯酸酯生產(chǎn)裝置引進(jìn)日本三菱石油化學(xué)株式會(huì)社(MPCL)的專利技術(shù)，該裝置設(shè)計(jì)能力為丙烯酸2.72萬(wàn)t/a、丙烯酸甲酯1萬(wàn)t/a、丙烯酸乙酯0.5萬(wàn)t/a、丙烯酸丁酯1.5萬(wàn)t/a，由氧化和酯化2個(gè)重要生產(chǎn)單元構(gòu)成[1]，熱媒冷卻器是酯化單元重要的換熱設(shè)備。在設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿足結(jié)構(gòu)和工藝的需求，不可避免要在壓力容器外壁上開孔接管，開孔后，孔邊緣處就會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀況，這是壓力容器強(qiáng)度破壞的主要原因[2]。開孔邊緣處的局部應(yīng)力一般都很高，一旦超出了材料的強(qiáng)度極限，就會(huì)產(chǎn)生破壞，因此必須對(duì)開孔邊緣部分進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理[3-4]。GB150—2011給出了適用于容器本體的開孔及其補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，包括等面積法和分析法[5]，并使用JB4732(2005確認(rèn))規(guī)定的應(yīng)力分類評(píng)定方法對(duì)大開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核[6]。

作者使用ANSYS軟件，建立了吉林石化公司丙烯酸酯生產(chǎn)裝置熱媒冷卻器(設(shè)備位號(hào)E-1105)大開孔部位的三維有限元模型，模擬實(shí)際工況，引入應(yīng)力路徑方法分析計(jì)算反應(yīng)裝置設(shè)備實(shí)際的受載荷情況，旨在為設(shè)計(jì)者提供直觀、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 大開孔部位模型的建立

熱媒冷卻器基本技術(shù)參數(shù)為：D900×D800×8×7 600(換熱器直徑×管板直徑×筒體壁厚×筒體長(zhǎng)度，單位mm)，管程介質(zhì)為熱媒油，設(shè)計(jì)壓力2 MPa，操作壓力1.5 MPa，進(jìn)口溫度350 ℃，出口溫度291 ℃；殼程介質(zhì)為熱水，設(shè)計(jì)壓力0.3 MPa，操作壓力0.22 MPa，進(jìn)口溫度350 ℃，出口溫度252 ℃。接管處開孔的大小將直接影響到壓力容器的強(qiáng)度，有可能對(duì)設(shè)備安全性產(chǎn)生重要的影響。利用工程仿真模擬的方法可以簡(jiǎn)便、直觀地得到想要的結(jié)果。所有接管中，公稱直徑最大的接管為D219×6(開孔直徑×接管壁厚，單位mm)的進(jìn)口接管，進(jìn)口端大開孔部分材料(和筒體一致)為Q245R，考慮到其對(duì)稱性，可以只建立四分之一模型，同時(shí)為了更符合實(shí)際情況，具體幾何模型見(jiàn)圖1。

圖1 大開孔部位幾何模型

采用SOLID185單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 大開孔部位有限元模型

2 約束條件及載荷施加

在對(duì)稱面需施加對(duì)稱約束，同時(shí)限制整體在軸向的位移，即在封頭直邊段的端面上施加軸向約束，具體約束位置見(jiàn)圖3。載荷為管程等效壓力(計(jì)算如下)和溫度載荷(進(jìn)口溫度185 ℃)。

管程等效壓力按下式計(jì)算得到。

式中:p′為管程等效壓力；pt為管程壓力；A*為管程側(cè)管板實(shí)際承壓面積；A為管板布管區(qū)面積；d為管板布管圓直徑；di為換熱管內(nèi)徑。

圖3 大開孔部位約束模型

3 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力評(píng)定

3．1 評(píng)定原理

分析設(shè)計(jì)法要求對(duì)容器各部位的各種應(yīng)力(包括溫差應(yīng)力)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，并根據(jù)應(yīng)力在容器上的分布、產(chǎn)生的原因以及對(duì)失效所起作用的差異分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力(P)也稱基本應(yīng)力，是指由外加機(jī)械載荷在容器中產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力。一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的平衡關(guān)系，具有“非自限”的基本特征。一次應(yīng)力又分為一次總體薄膜應(yīng)力(Pm)、一次彎曲應(yīng)力(Pb)和一次局部薄膜應(yīng)力(PL)。二次應(yīng)力(Q)是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)自身約束所引起的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，總體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)部位和總體熱應(yīng)力都屬于二次應(yīng)力。峰值應(yīng)力(F)是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量，其主要特點(diǎn)是高度的局部性，因而不引起任何明顯的變形，僅僅可能引起疲勞裂紋或脆性斷裂。

對(duì)分類后的應(yīng)力進(jìn)行疊加，最終計(jì)算出應(yīng)力強(qiáng)度，對(duì)不同的應(yīng)力強(qiáng)度給予不同的限制條件。其中對(duì)一次應(yīng)力強(qiáng)度的限制是防止過(guò)度的彈性變形和延性破壞，對(duì)一次應(yīng)力加二次應(yīng)力強(qiáng)度的限制是防止塑性變形引起的增量破壞，對(duì)峰值應(yīng)力強(qiáng)度的限制是防止由周期性載荷引起的疲勞破壞。

按規(guī)定，應(yīng)力強(qiáng)度為最大剪應(yīng)力的2倍，即

S=max{|S12|，|S23|，|S31|}

式中：S12=σ1-σ2，S23=σ2-σ3，S31=σ3-σ1；S為應(yīng)力強(qiáng)度；σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力。

按照J(rèn)B4732-1995(2005確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，強(qiáng)度校核的判據(jù)有以下4個(gè)。

(1)一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ應(yīng)不超過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值KSm，即：SⅠ≤KSm；(2)一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ許用極限為1.5KSm，即：SⅡ≤1.5KSm；(3)一次薄膜應(yīng)力(總體或局部)加一次彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ的許用極限為1.5KSm，即：SⅢ≤1.5KSm；(4)一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力以及二次應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ的許用極限為3Sm，即：SⅣ≤3Sm。

上面各式中的K為載荷組合系數(shù)，與容器所受的載荷和組合方式有關(guān)。對(duì)于受壓力和溫度載荷作用的換熱器，分析中取K=1,Sm為材料的許用應(yīng)力強(qiáng)度[6]。

3．2 模擬計(jì)算結(jié)果

計(jì)算后整體應(yīng)力強(qiáng)度云圖見(jiàn)圖4，最大應(yīng)力強(qiáng)度為179 MPa，發(fā)生在幾何不連續(xù)的接管與封頭連接處。

應(yīng)力強(qiáng)度/MPa

應(yīng)力強(qiáng)度/MPa圖4 整體應(yīng)力強(qiáng)度云圖

為評(píng)定此處的應(yīng)力情況，過(guò)最大應(yīng)力點(diǎn)接管壁厚方向定義路徑，具體位置見(jiàn)圖5。在此位置處應(yīng)該評(píng)定一次局部薄膜應(yīng)力以及一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度。

應(yīng)力強(qiáng)度/MPa圖5 定義應(yīng)力路徑位置

Path1下的一次局部薄膜應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力[7]的評(píng)定表見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，此開孔一次局部薄膜應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力計(jì)算值均小于許用值，不需補(bǔ)強(qiáng)。

表1 Path1上的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

4 傳統(tǒng)開孔補(bǔ)強(qiáng)核算

一般來(lái)說(shuō)，最大開孔直徑同時(shí)滿足不另行補(bǔ)強(qiáng)的6條原則時(shí)不需要補(bǔ)強(qiáng)[4]，反之，需要對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)條件一般按照下式計(jì)算。

殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：A=dopδ+2δδet(1-fr)

有效補(bǔ)強(qiáng)范圍：B=2dop

補(bǔ)強(qiáng)面積：Ae=A1+A2+A3

式中：dop為開孔直徑；δ為殼體開孔處的計(jì)算厚度；δet為接管有效厚度；fr為強(qiáng)度削弱系數(shù)；A1為殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積；A2為接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積；A3為焊縫金屬截面積。

已知該容器筒體直徑為D900 mm，開孔直徑為D210.5 mm，接管直徑D219 mm；按傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)核算方式，經(jīng)計(jì)算A=991.4 mm2，其它核算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 換熱器大開孔補(bǔ)強(qiáng)核算數(shù)據(jù)表

1)h1，h2為接管有效外(內(nèi))伸長(zhǎng)度。

經(jīng)計(jì)算，A1+A2+A3>A不需要補(bǔ)強(qiáng)。

5 對(duì)比分析

在化工裝置與設(shè)備設(shè)計(jì)上來(lái)看，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更考慮安全特性，設(shè)計(jì)過(guò)程方法偏于保守，同時(shí)設(shè)計(jì)核算過(guò)程不能對(duì)實(shí)際工況的動(dòng)態(tài)影響給予充分的考慮，因而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)核算要么存在制造浪費(fèi)，要么存在檢修維護(hù)浪費(fèi)的潛在結(jié)果?；谟邢迒卧ǖ臄M實(shí)分析設(shè)計(jì)核算，彌補(bǔ)了上述不足，具有一定的先進(jìn)性，特性比較見(jiàn)表3。

表3 不同方法核算的比較

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)化工生產(chǎn)裝置熱媒冷卻器進(jìn)行大開孔補(bǔ)強(qiáng)模擬計(jì)算研究，并與傳統(tǒng)核算比較，得到如下結(jié)論。

(1) 采用路徑模擬分析對(duì)容器補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與核算不僅切實(shí)可行，而且精度高；

(2) 采用應(yīng)力路徑模擬分析實(shí)際工況，能對(duì)化工生產(chǎn)裝置設(shè)備和工藝可靠性做出更準(zhǔn)確的核算分析，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中因相關(guān)參數(shù)的選擇造成的人為誤差，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的可靠性；

(3) 對(duì)裝置設(shè)備模擬分析，準(zhǔn)確地反映出裝置設(shè)備各部分的受載情況，這一結(jié)果一方面更有利于設(shè)計(jì)的改進(jìn)與優(yōu)化，一方面更有利于有針對(duì)性的制定維護(hù)和檢修計(jì)劃方案，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

通過(guò)對(duì)吉林石化公司丙烯酸酯生產(chǎn)裝置熱媒冷卻器進(jìn)行模擬校核實(shí)驗(yàn)，來(lái)指導(dǎo)換熱器的合理維護(hù)和檢修，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少了中小修頻次。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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