反應(yīng)釜封頭部位大開孔接管應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核

張君顏 苑光健 劉 陽(yáng) 陶明俊 蔣文春

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

反應(yīng)釜封頭部位大開孔接管應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核

張君顏*苑光健 劉 陽(yáng) 陶明俊 蔣文春

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

采用有限元軟件ABAQUS建立某反應(yīng)釜封頭部位大開孔接管有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析，并用線性分析法進(jìn)行強(qiáng)度校核。結(jié)果表明：應(yīng)力最大值發(fā)生在接管與封頭外壁面相貫處；設(shè)計(jì)壓力條件下應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求。

反應(yīng)釜 封頭 應(yīng)力分析 強(qiáng)度校核

反應(yīng)釜用于物料甲酸二甲脂的合成反應(yīng)，其封頭承受一定的內(nèi)壓。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，需在封頭部位開一個(gè)超標(biāo)接管孔。開孔結(jié)構(gòu)破壞了原有的應(yīng)力分布并引起應(yīng)力集中，使容器產(chǎn)生裂紋甚至爆炸[1,2]，且其理論應(yīng)力分析較為復(fù)雜。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，分析設(shè)計(jì)方法在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。吳和平等采用有限元法對(duì)熱壓機(jī)架進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算和分析，提出了改善機(jī)架應(yīng)力狀態(tài)的措施[3]；文聯(lián)奎利用有限元法對(duì)催化裂化裝置中煙氣輪機(jī)入口管線的結(jié)構(gòu)、熱脹應(yīng)力和自重應(yīng)力進(jìn)行了分析，指出該管系失效原因，并提出改進(jìn)措施[4]。筆者采用有限元法，建立反應(yīng)釜封頭開孔接管模型，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，重點(diǎn)校核封頭和接管連接部位的強(qiáng)度，評(píng)定封頭在使用狀況下的安全性。

1 有限元模擬

1.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

某反應(yīng)釜封頭是Ⅱ類壓力容器(圖1)，其最高工作壓力為0.28MPa，設(shè)計(jì)壓力為0.30MPa；工作溫度為85℃，設(shè)計(jì)溫度為100℃，介質(zhì)為甲酸二甲脂，主要受壓元件材料為Q345R。

該反應(yīng)釜采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，其長(zhǎng)軸內(nèi)徑為1 750mm，壁厚為16mm，直邊長(zhǎng)度為41mm，接管軸線到橢圓長(zhǎng)軸的距離為284.5mm，接管規(guī)格為φ273mm×7mm，材料的彈性模量為0.2GPa，泊松比為0.3。

圖1 反應(yīng)釜基本結(jié)構(gòu)示意圖

運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對(duì)封頭建立模型。因幾何參數(shù)和載荷邊界條件均為軸對(duì)稱，故可建立1/2模型進(jìn)行計(jì)算，其網(wǎng)格劃分如圖2所示。接管與封頭連接部位劃分較密，遠(yuǎn)離連接位置劃分較稀疏，共95 982個(gè)節(jié)點(diǎn)、387 382個(gè)單元。

圖2 封頭網(wǎng)格劃分

1.2載荷和邊界條件

對(duì)封頭和接管施加內(nèi)部均布載荷，其值為0.30MPa；對(duì)封頭和接管橫向施加x方向的對(duì)稱邊界條件；因封頭與筒體通過(guò)焊接連接，故對(duì)其底部施加固定邊界條件。

2 應(yīng)力分析

封頭接管區(qū)的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖3所示。由圖3可知：由于接管和封頭連接部位的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，導(dǎo)致產(chǎn)生了較高的應(yīng)力集中，因此封頭接管區(qū)的應(yīng)力分布較為復(fù)雜；最大應(yīng)力出現(xiàn)在接管與封頭外壁面相貫處，其值為62.27MPa，但所有部位的應(yīng)力強(qiáng)度遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力，因此結(jié)構(gòu)安全；另一處應(yīng)力強(qiáng)度較大值出現(xiàn)在接管與封頭內(nèi)壁面相貫處，其值為54.97MPa。

圖3 封頭接管區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

3 強(qiáng)度校核

根據(jù)JB/T 4732-1995對(duì)接管與封頭連接部位進(jìn)行強(qiáng)度校核。強(qiáng)度校核準(zhǔn)則為：一次局部薄膜應(yīng)力PL≤1.5Sm；一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力PL+Pb≤1.5Sm；一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力PL+Pb+Q≤3Sm。一次總體薄膜應(yīng)力評(píng)定均合格，此處不另行校核。筆者對(duì)以下3條路徑進(jìn)行了線性分析(圖4)：

a. 路徑1位于接管上。由于此路徑距離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處較近，因此評(píng)定準(zhǔn)則為PL≤1.5Sm、PL+Pb+Q≤3Sm。

b. 路徑2位于接管與封頭相貫處，幾何不連續(xù)。封頭由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生較高的二次應(yīng)力，因此評(píng)定準(zhǔn)則為PL≤1.5Sm、PL+Pb+Q≤3Sm。

c. 路徑3位于封頭上。由于此路徑遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，因此評(píng)定準(zhǔn)則為PL≤1.5Sm、PL+Pb≤1.5Sm。

圖4 路徑線性分析位置局部放大示例圖

在接管上，PL=51.00MPa<1.5Sm=205.50MPa，符合強(qiáng)度要求；PL+Pb+Q=51.60MPa<3Sm= 411.00MPa，符合強(qiáng)度要求。在接管與封頭相貫處，PL=56.10MPa<1.5Sm=205.50MPa，符合強(qiáng)度要求；PL+Pb+Q=56.30MPa<3Sm=411.00MPa，符合強(qiáng)度要求。在封頭上，PL=24.3MPa<1.5Sm=205.50MPa，符合強(qiáng)度要求；PL+Pb=24.60MPa <1.5Sm=205.50MPa，符合強(qiáng)度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

封頭與接管外壁面相貫處局部應(yīng)力最高，其值為62.27MPa，封頭與接管內(nèi)壁面相貫處局部應(yīng)力達(dá)54.97MPa，但均遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，滿足使用要求。接管與封頭連接結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域強(qiáng)度校核均合格，滿足強(qiáng)度要求。

[1] 王志文，蔡仁良.化工容器設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：101.

[2] 淡勇，李俊菀，李會(huì)強(qiáng).橢圓封頭水平接管部位應(yīng)力分析和加強(qiáng)效果研究[J].化工機(jī)械，2009，36(6)：570～574.

[3] 吳和平，于聚濱，林哲山.用有限元法對(duì)熱壓機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分析[J].林業(yè)機(jī)械，1994，(3)：17～18.

[4] 文聯(lián)奎.有限元法在催化裂化煙氣輪機(jī)管線應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995，19(3)：110～113．

StressAnalysisandStrengthVerificationofLargeOpeningNozzleonReactorHead

ZHANG Jun-yan, YUAN Guang-jian, LIU Yang, TAO Ming-jun, JIANG Wen-chun

(CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The finite element model of a large opening nozzle on a reactor’s head was established with ABAQUS software to implement the stress analysis. Having its strength assessed with linear analysis method shows that the maximum stress concentrates on the intersecting line between the nozzle and head, and the stress strength can be acceptable at the design pressure.

reactor, head, stress analysis, strength verification

*張君顏，女，1993年2月生，本科生。山東省青島市，266580。

TQ052.5

A

0254-6094(2015)01-0083-03

2014-04-11，

2015-01-15)