基于ANSYS的超高壓反應(yīng)器應(yīng)力分析與校核

孫 冰 余雛麟 高炳軍 王傳志

（1.聯(lián)泓新材料科技股份有限公司；2.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院；3.北京燕華工程建設(shè)有限公司）

LDPE（低密度聚乙烯）和EVA（醋酸乙烯）裝置因其工藝過(guò)程超高壓力的特性，決定了該反應(yīng)系統(tǒng)壓力分別高達(dá)360、230MPa，屬于超高壓設(shè)備設(shè)計(jì)范疇，國(guó)內(nèi)目前暫無(wú)獨(dú)立設(shè)計(jì)制造的能力，國(guó)外也僅有為數(shù)不多的幾家公司具備相應(yīng)的能力。近年來(lái)，隨著市場(chǎng)對(duì)LDPE（EVA）產(chǎn)品需求的增加，LDPE（EVA）裝置的建造、投產(chǎn)等也迅速增多，對(duì)已投產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)管理、失效分析等方法的需求也日趨迫切。超高壓設(shè)備與普通壓力容器設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范均不相同，考慮自增強(qiáng)的影響，其相關(guān)分析計(jì)算更為復(fù)雜，一般需進(jìn)行壓潰分析、線彈性分析、內(nèi)應(yīng)力分析及疲勞壽命分析等計(jì)算［1，2］。

國(guó)內(nèi)某LDPE（EVA）裝置反應(yīng)器為引進(jìn)德國(guó)某公司設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)壁磨損，最大磨損量6mm，因其制造周期長(zhǎng)、造價(jià)高昂，不可能進(jìn)行整體更新，但若繼續(xù)使用，需做相應(yīng)的分析計(jì)算，同時(shí)采取相關(guān)措施，以確保反應(yīng)器性能的安全可靠。筆者依據(jù)ASMEⅧ第3冊(cè)相關(guān)規(guī)則［3］，基于ANSYS對(duì)該反應(yīng)器內(nèi)壁磨損后影響較大的器壁內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行了分析，并與原始設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出相關(guān)的結(jié)論，制定并采取了對(duì)應(yīng)措施，保證裝置在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)。

1 超高壓反應(yīng)器簡(jiǎn)介

LDPE（EVA）裝置反應(yīng)器為內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌槳葉式的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1），設(shè)置7路物料進(jìn)料口，采用頂部進(jìn)料潤(rùn)滑冷卻，上、下封頭采用典型的B形環(huán)自緊式超高壓密封結(jié)構(gòu)，釜體配置4路爆破片緊急泄放口。

圖1 超高壓反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

超高壓反應(yīng)器原始設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力 230MPa

設(shè)計(jì)溫度 315℃

自增強(qiáng)壓力 380MPa

腐蝕裕量 3.18mm

主要介質(zhì) 乙烯/醋酸

筒體材料 SA-723Gr3Cl2

設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 490MPa

循環(huán)加載次數(shù) 1 500以上（0～200MPa）

整體設(shè)計(jì)壽命 40a

2 基于ANSYS的應(yīng)力分析

2.1 分析方法

采用ANSYS 15.0軟件，使用N-mm-MPa-t-s法定計(jì)量單位制。本模型主要考慮設(shè)計(jì)工況，依據(jù)彈塑性機(jī)理，考慮反應(yīng)器自增強(qiáng)處理的殘余應(yīng)力，采用生死單元技術(shù)模擬缺陷生成過(guò)程。

對(duì)于靜強(qiáng)度分析，查看殼體所有結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的應(yīng)力情況，得出殼體中性面和內(nèi)、外表面的應(yīng)力強(qiáng)度值，依據(jù)強(qiáng)度判定準(zhǔn)則，進(jìn)行應(yīng)力分類校核［3，4］。

2.2 力學(xué)模型

建模時(shí)，主要受壓元件均采用有效厚度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)缺陷實(shí)際測(cè)量的形狀和位置尺寸建立模型［5，6］。模型的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 包含缺陷的幾何模型

網(wǎng)格劃分選用六面體solid186和solid187單元，有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件

所有與操作介質(zhì)接觸的面施加設(shè)計(jì)壓力，在筒體端面施加軸向位移約束，在對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。設(shè)計(jì)工況的邊界條件如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)工況的邊界條件示意圖

2.4 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

無(wú)缺陷反應(yīng)器自增強(qiáng)處理后的環(huán)向殘余應(yīng)力和設(shè)計(jì)壓力下的應(yīng)力強(qiáng)度如圖5所示。有缺陷反應(yīng)器自增強(qiáng)處理后的環(huán)向殘余應(yīng)力和設(shè)計(jì)壓力下的應(yīng)力強(qiáng)度如圖6所示。

圖5 無(wú)缺陷反應(yīng)器的應(yīng)力云圖

圖6 有缺陷反應(yīng)器的應(yīng)力云圖

2.5 應(yīng)力等效線性化

在設(shè)計(jì)工況下，分別取3條路徑對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行應(yīng)力核算，強(qiáng)度核算方法依據(jù)JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認(rèn)）進(jìn)行，應(yīng)力等效線性化路徑的選取原則是：

a.通過(guò)應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)，并沿壁厚方向的最短距離設(shè)定線性化路徑；

b.對(duì)于相對(duì)高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)沿壁厚方向設(shè)定路徑。

選取的路徑如圖7所示（無(wú)缺陷結(jié)構(gòu)和有缺陷結(jié)構(gòu)的路徑不同）。

圖7 反應(yīng)器應(yīng)力分析路徑

3 應(yīng)力強(qiáng)度校核

應(yīng)力強(qiáng)度核算方法依據(jù)JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認(rèn)）進(jìn)行。在應(yīng)力校核中，各工況載荷組合系數(shù)K=1，材料許用應(yīng)力極限Sm=490MPa。各條路徑的應(yīng)力強(qiáng)度核算時(shí)，Pm表示一次局部薄膜應(yīng)力，Pb表示一次彎曲應(yīng)力，Q表示二次應(yīng)力［7，8］。

設(shè)計(jì)工況下，無(wú)缺陷反應(yīng)器的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表1、2。

表1 無(wú)缺陷反應(yīng)器路徑1的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果

表2 無(wú)缺陷反應(yīng)器路徑2、3的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果

設(shè)計(jì)工況下，有缺陷反應(yīng)器的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表3、4。

表3 有缺陷反應(yīng)器路徑1的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果

表4 有缺陷反應(yīng)器路徑2、3的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果

設(shè)計(jì)工況時(shí)疊加自增加殘余應(yīng)力后，無(wú)缺陷反應(yīng)器的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表5、6。

表5 疊加自增加殘余應(yīng)力后無(wú)缺陷反應(yīng)器路徑1的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果

表6 疊加自增加殘余應(yīng)力后無(wú)缺陷反應(yīng)器路徑2、3的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果

設(shè)計(jì)工況時(shí)疊加自增加殘余應(yīng)力后，有缺陷反應(yīng)器的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表7、8。

表7 疊加自增加殘余應(yīng)力后有缺陷反應(yīng)器路徑1的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果

表8 疊加自增加殘余應(yīng)力后有缺陷反應(yīng)器路徑2、3的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果

設(shè)計(jì)工況時(shí)，兩種反應(yīng)器內(nèi)壁的最大應(yīng)力強(qiáng)度見(jiàn)表9。

表9 兩種反應(yīng)器內(nèi)壁的最大應(yīng)力強(qiáng)度

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，缺陷存在時(shí)，反應(yīng)器的靜強(qiáng)度能夠滿足要求，但其內(nèi)壁殘余應(yīng)力有所減小，內(nèi)壁總應(yīng)力增大，抗疲勞性能下降，同時(shí)抗裂紋擴(kuò)展能力下降。

為消除缺陷的影響，依據(jù)ASMEⅧ第3冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)推薦，需對(duì)反應(yīng)器的缺陷位置進(jìn)行打磨，消除銳角，同時(shí)需定期對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行無(wú)損探傷，探傷深度需覆蓋因自增強(qiáng)產(chǎn)生的彈塑性界面深度［9］。

4 結(jié)束語(yǔ)

超高壓容器/管道的失效模式不同于普通低壓設(shè)備，更多的是高周疲勞失效形式。為進(jìn)一步評(píng)估設(shè)備能否滿足疲勞要求和抗裂紋擴(kuò)展要求，同時(shí)校核設(shè)備的疲勞壽命變化情況，需運(yùn)用斷裂力學(xué)基本理論和未爆先漏的失效模式進(jìn)行核算。