轉(zhuǎn)化爐下部錐體接管及斜接管的應(yīng)力分析

陳曉玲

（山西省化工設(shè)計院)

轉(zhuǎn)化爐下部錐體接管及斜接管的應(yīng)力分析

陳曉玲*

（山西省化工設(shè)計院)

轉(zhuǎn)化爐是合成氨轉(zhuǎn)化工段的核心設(shè)備，其設(shè)計條件復(fù)雜。轉(zhuǎn)化爐下部錐體接管和斜接管不能采用常規(guī)設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，需要按照分析設(shè)計的方法設(shè)計。對轉(zhuǎn)化爐下部錐體接管和斜接管基本條件進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并明確提出了其設(shè)計狀態(tài)下的參數(shù)。使用ANSYS有限元軟件建立模型， 按照J(rèn)B 4732—1995標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行應(yīng)力評定。通過詳細(xì)分析，證明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。最后，提出了無損檢測的要求。

轉(zhuǎn)化爐 有限元 分析設(shè)計 強(qiáng)度計算 錐體 接管 應(yīng)力

0 前言

轉(zhuǎn)化爐是合成氨轉(zhuǎn)化工段的核心設(shè)備。在焦?fàn)t氣中甲烷、烴類含量較高，但甲烷是氨合成氣中的“惰性氣體”，不能直接合成氨，必須通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)將甲烷轉(zhuǎn)化成CO、CO2和H2。干法脫硫工段的焦?fàn)t氣混入蒸汽，經(jīng)加熱爐預(yù)熱后，從爐頂進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐；經(jīng)空分后的氧氣混入壓縮空氣，配制成富氧氣，經(jīng)富氧加熱爐加熱，從轉(zhuǎn)化爐噴嘴進(jìn)入爐內(nèi)。焦?fàn)t氣所含氫氣等在爐內(nèi)與氧氣燃燒，提供轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量，甲烷在催化劑和高溫作用下轉(zhuǎn)化為CO、CO2、H2。從轉(zhuǎn)化爐出來的高溫轉(zhuǎn)化氣首先進(jìn)入廢熱鍋爐換熱，產(chǎn)生中壓蒸汽；換熱后的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入預(yù)熱爐與蒸-焦混合氣換熱，轉(zhuǎn)化氣溫度再次降低；從預(yù)熱爐出來的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入干法脫硫系統(tǒng)與焦?fàn)t氣換熱，溫度最終降至320℃左右。經(jīng)過一系列換熱后的變換氣進(jìn)入變換工序的中變爐，進(jìn)行變換反應(yīng)。

1 基本條件

轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由爐體、水夾套、夾套裙座等幾部分組成。轉(zhuǎn)化爐中物料屬于易燃易爆介質(zhì)，其燃燒反應(yīng)溫度最高時達(dá)到1600℃，因此爐體結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。爐體主要由球形上封頭、一段筒體、變徑段、二段筒體、錐形下封頭以及燒嘴、接管、人孔等各種構(gòu)件組成。因其介質(zhì)溫度高，爐體鋼筒體內(nèi)部要澆筑比較厚的耐火澆注料來隔熱，以此降低筒體的金屬壁溫。本次設(shè)計的轉(zhuǎn)化爐整體按照常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB 150—2011《壓力容器》進(jìn)行設(shè)計，下部錐體段由于斜接管和大開孔接管超出了常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，因此采用分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JB 4732—1995（2005年確認(rèn)） 《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計。本文主要是對下部錐體斜接管的受力進(jìn)行討論。轉(zhuǎn)化爐下部錐體斜接管的結(jié)構(gòu)、尺寸詳見圖1。

下部錐體材料具體的數(shù)據(jù)見表1，強(qiáng)度計算主要數(shù)據(jù)見表2。

圖1 轉(zhuǎn)化爐下部錐體斜接管結(jié)構(gòu)

2 有限元建模

先建立有限元模型，這是ANSYS分析中的前處理部分[5]，也是ANSYS有限元分析中很重要的一個部分，是ANSYS有限元分析的基礎(chǔ)。該模塊用于定義求解所需的數(shù)據(jù)，用戶可選擇坐標(biāo)系統(tǒng)、單元類型、定義實常數(shù)和材料特性，然后建立實體模型并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定控制節(jié)點和單元，以及定義耦合和約束方程等[6-7]。

表1 材料特性表[1-2]

表2 強(qiáng)度計算數(shù)據(jù)表[3-4]

本次分析采用ANSYS 13.0軟件進(jìn)行建模，對錐體和接管結(jié)構(gòu)建立四分之一的對稱模型（見圖2）。選用20節(jié)點的SOLID186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分 （見圖3），限制錐體上端面Y方向自由度；在設(shè)備對稱面上施加對稱約束；在結(jié)構(gòu)內(nèi)表面施加內(nèi)壓2.4 MPa；在DN800接管端面施加拉應(yīng)力17.3 MPa，在DN900接管端面施加拉應(yīng)力25.3 MPa。

在沒有外載荷作用時，設(shè)計工況和操作工況的應(yīng)力比值取決于設(shè)計壓力和操作壓力之比，因此在本次計算中只考慮設(shè)計工況[5-6]。上、下封頭壁厚尺寸如表3所示。接管建模時，壁厚應(yīng)考慮腐蝕裕量，DN900鍛件與錐體的焊接接頭內(nèi)角磨圓為R20，外角圓滑過渡為R40。此外，還應(yīng)考慮其它接管的內(nèi)倒角和外倒角，并保證其都平滑過渡。

圖2 結(jié)構(gòu)模型

圖3 網(wǎng)格劃分

表3 結(jié)構(gòu)壁厚建模尺寸

3 強(qiáng)度分析

經(jīng)過計算，錐體接管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布如圖4所示。在危險節(jié)點定義路徑，進(jìn)行強(qiáng)度校核。具體路徑位置如圖5所示。

圖4 計算結(jié)果

圖5 定義路徑

（1）路徑1－1

局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ：

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ：

路徑1－1計算結(jié)果：合格。

（2）路徑2-2

局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ：

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ：

路徑2-2計算結(jié)果：合格。

（3）路徑3-3

局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ：

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ：

路徑3-3計算結(jié)果：合格。

（4）路徑4-4

局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ：

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ：

路徑4-4計算結(jié)果：合格。

（5）路徑5-5

局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ：

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ：

路徑5-5計算結(jié)果：合格。

（6）路徑6-6

局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ：

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ：

路徑6-6計算結(jié)果：合格。

（7）路徑7-7

局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ：

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ：

路徑7-7計算結(jié)果：合格。

4 結(jié)論與建議

轉(zhuǎn)化爐下部錐體接管和斜接管不能采用常規(guī)設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，需要按照分析設(shè)計方法設(shè)計。本文使用 ANSYS有限元軟件建立模型，按照 JB 4732—1995標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行應(yīng)力評定，共評定了7個路徑的應(yīng)力。通過詳細(xì)分析，證明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。因此，本文有如下結(jié)論和建議。

（1）在建模及強(qiáng)度計算時，比較充分地考慮了模型的細(xì)節(jié)和各種影響因素，因此分析結(jié)果可靠。

（2）所有A、B類焊接接頭應(yīng)內(nèi)外磨平，接管與筒體、接管與封頭的焊接接頭焊后應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)的要求磨圓平滑過渡。

（3）設(shè)備無損檢測的要求如下所述：

殼體用的Q345R鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲波檢測，按NB/T 47013.2—2015標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ級為合格；

A、B類焊接接頭射線檢測比例為100%，按NB/T 47013.2—2015中Ⅱ級為合格，其射線檢測技術(shù)等級為B級 (附加超聲檢測其檢測比例為100%，超聲檢測按NB/T 47013.3—2015進(jìn)行，Ⅰ級為合格，超聲檢測技術(shù)等級不低于B級)；

與筒體、封頭相連接的公稱直徑大于200 mm的接管應(yīng)進(jìn)行超聲檢測，按NB/T 47013.3—2015中Ⅰ級為合格，超聲檢測技術(shù)等級為C級；

熱處理及液壓試驗后，設(shè)備所有對接接頭和角接接頭表面應(yīng)進(jìn)行100%磁粉無損檢測，其結(jié)果符合NB/T 47013.4—2015中的Ⅰ級為合格。

（4）設(shè)備組焊后，進(jìn)行爐內(nèi)整體消除應(yīng)力熱處理，所制備的焊接試板應(yīng)與容器一起進(jìn)行熱處理。容器殼體上的連接件 (包括鉚固釘、吊耳和墊板)在熱處理前都應(yīng)與殼體焊好，熱處理后不允許再在殼體上施焊，不得采用硬印作為材料和焊工標(biāo)記。

[1]潘家禎．壓力容器材料實用手冊——碳鋼及合金鋼[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：834-836．

[2]中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會.鋼制化工容器材料選用規(guī)定：HG/T 20581—2011[S].北京：中國計劃出版社，2011：53-60.

[3]中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會.鋼制化工容器設(shè)計基礎(chǔ)規(guī)定：HG/T 20580—2011 [M].北京：中國計劃出版社，2011：14-21.

[4]全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)： JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）[S].北京：新華出版社，2007.

[5]龔曙光．ANSYS在應(yīng)力分析設(shè)計中的應(yīng)用 [J]．化工裝備技術(shù)，2002，23(1)：29－33．

[6]倪棟，段進(jìn)，徐文成，等．通用有限元分析ANSYS 7.0實例精解 [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

[7]劉濤，楊鳳鵬．精通ANSYS[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2001．

Stress Analysis of the Nozzle and Oblique Nozzle in the Lower Cone of Conversion Furnace

Chen Xiaoling

The conversion furnace is the core equipment of the synthesis ammonia conversion section,and its design condition is complex.The nozzle and oblique nozzle in the lower cone of converter can′t be designed by conventional design method,and they need to be designed in accordance with the method of analysis and design. The basic conditions of the nozzle and oblique nozzle were described in detail,and the design parameters were put forward.The finite element software ANSYS was used to establish the model,and the stresses were evaluated according to JB 4732-1995.Through detailed analysis,it was proved that the structure was reasonable in design. Finally,the requirements of nondestructive testing were proposed.

Conversion furnace；Finite element；Design by analysis；Strength calculation；Cone；Nozzle；Stress

TQ 052.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.002

2016-04-05）

*陳曉玲，女，1984年生，碩士，工程師。太原市，030024。