基于ANSYS Wo rkbench的熱壁加氫反應器熱-結構耦合分析

劉　健（黃河三角洲京博化工研究院有限公司,山東　濱州　256500）

基于ANSYS Wo rkbench的熱壁加氫反應器熱-結構耦合分析

劉健
（黃河三角洲京博化工研究院有限公司,山東濱州256500）

本文研究介紹了以ANSYSWorkbench平臺對熱壁加氫反應器進行熱-結構耦合分析，模擬分析了在實際工況下加氫反應器的熱分布和應力分布，對應力薄弱點進行線性化處理得到薄膜應力和彎曲應力等各項應力結果，并與設計規(guī)范進行比較。通過運用ANSYSWorkbench的平臺能方便的對多材料和復雜結構進行耦合分析，為近一步優(yōu)化設計提供了可靠支持。

Workbench；加氫反應器；熱結構耦合；線性化評定

0　引言

石油化工行業(yè)中加氫反應器在煉油作業(yè)中起著比較重要的地位。隨著煉油工藝的改進,工程技術人員對加氫反應器的設計制造提出了更高的要求。加氫反應器的設計已經(jīng)從原有的彈性失效為準則的安全設計，轉(zhuǎn)化為塑性失效和彈性失效為理論基礎的分析設計[1]。通過運用流體分析和結構分析軟件對反應器進行內(nèi)部流場溫度分析及熱應力耦合分析，大大提高了計算的準確性和設備的安全性。本文將以ANSYSWorkbench為平臺對加氫反應器進行熱應力分析，線性化評定查看強度薄弱點，從而對結構進一步優(yōu)化[2]。加氫反應器的部分設計條件如表1所示：

表1　加氫反應器的設計條件

1　熱壁加氫反應器的模型建立

進行有限元分析最主要的就是模型的建立，ANSYSWorkbench平臺有著強大的模型接口能力，本例通過Pro/e建立加氫反應器的三維模型，并將保溫層和防火層一同裝配后導入Workbench中，三維模型如圖1所示。

2　熱壁加氫反應器的熱分析

2.1定義材料屬性并劃分網(wǎng)格

運用ANSYSWorkbench可以方便對多材料進行屬性設置，該熱壁加氫反應器一共包括筒體、裙座、保溫層和防火層4種材質(zhì)，進行熱分析時要分別設置這4中材質(zhì)不同溫度下的導熱系數(shù)[3]。其中保溫層的導熱率為0.0001W/(m.°C),防火層導熱率為0.0014W/(m.°C)。網(wǎng)格劃分選擇自動映射劃分，在薄壁和倒角位置適當加密網(wǎng)格。運用Workbench對裝配體進行一體劃分，可以方便的將接觸面自動劃分，而且省去了繁瑣的定義接觸對的步驟提高了分析效率。劃分網(wǎng)格后的三維模型如圖所示：

2.2定義熱分析邊界條件

熱壁加氫反應器正常工作時溫度基本保持穩(wěn)定，選擇Steady-StateThermal穩(wěn)態(tài)熱分析。按照設計溫度454°C的條件，設定筒體及法蘭頭內(nèi)壁為Temperature邊界，設置保溫層外側(cè)及裙座內(nèi)壁為對流面Convection邊界，筒體斷面和裙座地面為絕熱邊界。其中對流面的對流系數(shù)要根據(jù)對流邊界外部真實環(huán)境而定。

2.3穩(wěn)態(tài)熱分析求解并查看結果

通過求解得到加氫反應器在設計工況下的熱場分布圖3所示。從圖中可以看出整個筒體和法蘭頭溫度都保持在400度以上，在筒體保溫層的作用下外側(cè)溫度為80度左右，裙座部分溫度從上往下遞減。

3　熱-結構耦合分析

3.1材料屬性設置

通過上述對加氫反應器進行穩(wěn)態(tài)熱分析得到其熱場的分布，通過Workbench建立熱分析和結構分析的耦合關聯(lián)，為后續(xù)進行熱應力分析導入熱載荷。

在進行應力分析時，對加氫反應器不能輸入常溫的彈性模量，且要考慮筒體材料和裙座材料的不同。進入結構靜力分析后定義加氫反應器筒體和裙座的不同溫度下的彈性模量及熱膨脹系數(shù)。運用Workbench內(nèi)的EngineeringData定義兩種材質(zhì)的屬性，應用Tabular可以方便的添加多參數(shù)的屬性。表2為筒體在不同溫度下的熱膨脹率和彈性模量[4]。

表2　筒體不同溫度下的參數(shù)

3.2設置載荷并求解

將三維模型和熱分析結果分別關聯(lián)到結構分析中后，應力分析不再需要保溫層和防火層，留下筒體和裙座進行應力分析。載入熱分析結果作為熱載荷，設置筒體內(nèi)壓力為設計壓力18.94MPa,筒體斷面的軸向拉力為7.19E7MPa，法蘭接頭拉力為6.9E6MPa,裙座底部為固定約束。求解計算得到的壓力和溫度共同作用下的分析結果如下圖所示。從圖5看到位移最大點在筒體斷面處，應力最大在熱箱上內(nèi)側(cè)的倒角處。

4　結果應力線性化評定

應力分析最終目的是進行強度評定，現(xiàn)選擇三處應力相對比較集中的位置進行線性化結果分析[5]。

分別提取圖7中所表示出來的3條路徑的線性結果。其中路徑2的線性化結果如下所示。

根據(jù)國標JB4732-95的規(guī)定，通過提取三個路徑的線性化結果對結果進行強度評定：路徑1PL=80MPa＜1.5Sm=294MPa，

PL+Pb+Q=154.9MPa＜3Sm=588MPa強度符合；路徑 2PL=163.8MPa＜1.5Sm=294MPa，PL+Pb+Q=169.8MPa＜3Sm=588MPa強度符合；路徑 3PL=143.4MPa＜1.5Sm=294MPa，PL+Pb+Q=99.9MPa＜3Sm=588MPa強度符合要求。

5　結論

運用ANSYSWorkbench平臺對熱壁加氫裝置進行熱-結構分析，充分考慮的不同材質(zhì)在不同溫度下的參數(shù)設置，保證了計算結果更貼近于實際情況。通過線性化后處理給出應力分量對其進行強度評定，為化工類設備的結構優(yōu)化提供了參考。

[1]張振戎.加氫反應器的發(fā)展歷史[J].化工裝備技術,2009(02):1～5.

[2]程新宇,馮曉偉.基于ANSYS_WORKBENCH的壓力容器接管應力分析[J].石油與化工設備.2011(04):1～4.

[3]王洪海.加氫反應器瞬態(tài)溫度場數(shù)值模擬[J].石油機械,2007(07):1～3.

[4]丁欣碩,凌桂龍.數(shù)控加工工藝ANSYSWorkbench14.5有限元分析案例詳解［M］北京：清華大學出版社,2013.

[5]欒春遠.壓力容器ANSYS分析與強度計算[M].中國水利水電出版社,2013(01):231～253.

劉健(1983-)，男，2007年本科畢業(yè)于遼寧工程技術大學，主要從事化工設備、壓力容器的設計工作。