甲醇合成反應(yīng)器密集大開孔接管應(yīng)力分析

楊曉

摘 要

Davy甲醇合成反應(yīng)器封頭開有5個大尺寸密集排布的接管，該結(jié)構(gòu)未采用聯(lián)合補強，在GB/T150規(guī)范要求下無法通過計算。本文運用有限元計算方法，對最危險工況下的甲醇合成反應(yīng)器進行局部應(yīng)力分析，參照有限元分析結(jié)果，按ASME SEC.VIII DIV.2《Alternative Rules》中的相關(guān)要求對局部結(jié)構(gòu)，采用Mises應(yīng)力進行強度評定。經(jīng)計算，該種結(jié)構(gòu)滿足強度要求，為后續(xù)的工程設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞

密集開孔;有限元;強度評定

中圖分類號： TQ223.121 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.027

隨著甲醇工業(yè)生產(chǎn)能力的提升，設(shè)備在向大型化方向發(fā)展，Davy甲醇反應(yīng)器也推陳出新，結(jié)構(gòu)上不斷出現(xiàn)新的設(shè)計思路，最新的Davy甲醇反應(yīng)器結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，采用懸浮式換熱管板，并將管板與封頭處接管直接相連以平衡換熱管拉力，這導(dǎo)致封頭的5個大尺寸的接管密集排布，此種結(jié)構(gòu)不滿足現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范GB/T150的設(shè)計要求。筆者以有限元分析計算為基礎(chǔ)，對反應(yīng)器的大尺寸密集開孔進行分析計算，以達到更安全的結(jié)構(gòu)[1-2]。

1 設(shè)備概況

甲醇合成反應(yīng)器為塔式列管反應(yīng)床，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。筒體直徑3715mm，厚度130mm;封頭為球形，直徑1880mm，厚度100mm，成型厚度85mm;管板為懸浮式設(shè)計，上端與封頭上接管相連，下端與換熱管連接，直徑1150mm，厚度180mm;中心接管M2，內(nèi)徑750mm，壁厚120mm;環(huán)形排列接管N4A～N4D，內(nèi)徑620mm，壁厚120mm。設(shè)計參數(shù)及材料參數(shù)分別見表1、表2。

2 危險工況分析

甲醇合成反應(yīng)器管板的安裝形式為浮動式，管板連通管箱，與反應(yīng)器外殼體封頭上的相應(yīng)接管相連。因此管板及管束依靠反應(yīng)器外殼體上相應(yīng)接管支撐。由于管束與管板連接的過渡段采用彎管的形式，為撓性結(jié)構(gòu)，因此可以忽略管束對上下管板的豎向位移約束作用。由于管板自重對管板應(yīng)力影響可以忽略，因此管板危險工況暫不考慮自重的影響。

根據(jù)甲醇合成反應(yīng)器的設(shè)計條件，管板設(shè)計工況下的載荷組合分為5種，如表3所示。管板的受力分為管程側(cè)受壓和殼程側(cè)受壓兩大類工況，其中工況1為管程側(cè)受壓，其余工況可認(rèn)為是殼程側(cè)受壓。分析工況2～工況5的載荷組合可以發(fā)現(xiàn)，工況5時的載荷組合是殼程側(cè)受壓工況中最大的，可以涵蓋其余3種工況。因此，工況5的是甲醇合成反應(yīng)器最危險的工況，計算時的載荷按工況5進行。

3 載荷條件分析

在工況5下管板對管口的載荷最大，在管口載荷計算時需同時考慮各部件重量與上述工況的組合?？紤]危險工況，其載荷組合見表4。

4 計算模型及參數(shù)選取

根據(jù)圣維南原理，當(dāng)筒體長度大于700mm時，筒體端部邊界對筒體與封頭連接部位應(yīng)力的影響可以忽略。因此在建立三維模型時，筒體長度取1400mm。封頭及其接管的三維模型如圖3所示。網(wǎng)格劃分采用C3D10M，封頭及其接管的網(wǎng)格總數(shù)為363204，節(jié)點總數(shù)為584127。

筒體直邊段端面采用固定支撐，限制其三個方向位移為0。計算采用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)方法，材料屬性及許用應(yīng)力等參數(shù)均采用設(shè)計溫度下的值。

4.1 封頭及其接管開孔補強

工況5上封頭的總體應(yīng)力分布及變形如圖4所示。從圖中可以看出，工況5上封頭的最大應(yīng)力出現(xiàn)在接管N4B內(nèi)壁與封頭內(nèi)壁相貫線處，最大應(yīng)力395.1MPa。從圖中也可看出接管N4A、N4B、N4C和N4D與封頭連接部位應(yīng)力分布情況是一致的，最大應(yīng)力分別為380.7MPa、395.1 MPa、393.7 MPa、380.2 MPa。這種微小的差異是由于接管周圍開孔情況不同以及管口外載荷引起的。

根據(jù)ASME SEC.VIII DIV.2的應(yīng)力強度極限值，局部薄膜應(yīng)力須滿足PL<1.5KSm，二次應(yīng)力PL+Q<3Sm[3]。綜上，PL<1.5×159.8=239.7MPa;PL+Q<3×159.8=479.4MPa，工況5上封頭及接管的強度滿足要求。

3 結(jié)論

根據(jù)圖紙及載荷條件，對甲醇合成反應(yīng)器的封頭及其開孔補強、管板和膨脹節(jié)進行了應(yīng)力分析。局部結(jié)構(gòu)強度的評定按ASME SEC.VIII DIV.2《Alternative Rules》。評定結(jié)果表明水冷甲醇合成反應(yīng)器的封頭及其開孔補強、管板和膨脹節(jié)的強度滿足ASME SEC.VIII DIV.2的要求。

參考文獻

[1]彭芳，王文婷.反應(yīng)釜人孔結(jié)構(gòu)的三維有限元分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2018，（1）：47-48.

[2]魯佳，李煥鳴，鄧豐，李冬慧，胡彧，田雅婧.核電廠穩(wěn)壓器下封頭電加熱原件安裝區(qū)開孔補強計算[J].科技視界，2018，（4）：137-138.

[3]ASME boiler and pressure vessel code-2018.VIII Rules for construction of pressure vessels Division 1[S].