熱疲勞反應(yīng)器夾套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

魏冬雪，徐儒庸，李小梅

（中國寰球工程有限公司，北京 100012）

反應(yīng)器是一種實現(xiàn)反應(yīng)過程的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、煉油、冶金等領(lǐng)域。多數(shù)反應(yīng)有明顯的熱效應(yīng)。為使反應(yīng)在適宜的溫度條件下進行，往往需要對反應(yīng)物進行換熱。在反應(yīng)過程中物料需加熱或冷卻時，可在反應(yīng)器壁外設(shè)置夾套，也可通過外循環(huán)進行換熱[1]。隨著國內(nèi)外經(jīng)濟的不斷發(fā)展，裝置規(guī)模也趨于大型化，操作條件也越來越苛刻。反應(yīng)器是裝置中的核心設(shè)備，并且投資成本高，提高反應(yīng)器的使用壽命可以有效節(jié)約投資成本，這就給反應(yīng)器的設(shè)計提出了更高的要求。

國內(nèi)的專家和學(xué)者做了一些研究，主要是在強度和剛度上對夾套反應(yīng)器進行計算和分析。張娟對立式夾套容器是否采用波形膨脹節(jié)進行了研究[2]，夾套僅包裹筒體部分，并不包裹封頭部分。趙鵬從強度和穩(wěn)定性兩個方面研究了分段夾套攪拌反應(yīng)器的設(shè)計[3]，胡效東等對不同結(jié)構(gòu)尺寸下蜂窩夾套的結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度值進行了比較分析，并總結(jié)了折邊式蜂窩夾套的結(jié)構(gòu)尺寸搭配范圍[4]。這些研究幾乎沒有考慮疲勞工況。操作過程中，反應(yīng)器內(nèi)筒介質(zhì)被夾套介質(zhì)反復(fù)加熱和冷卻，在內(nèi)筒和夾套連接部位會產(chǎn)生交替的溫差應(yīng)力，從而可能導(dǎo)致反應(yīng)器疲勞失效，這些問題在工程設(shè)計中是不能忽視的。如何合理地設(shè)計夾套結(jié)構(gòu)？如何提高反應(yīng)器的疲勞壽命？本文將采用有限元方法，對承受熱疲勞載荷的反應(yīng)器進行分析，比較七種不同的夾套結(jié)構(gòu)，得到最優(yōu)結(jié)果，為以后反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計提供可靠依據(jù)。

1 帶夾套反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

本文分析的帶夾套反應(yīng)器為國內(nèi)某化工裝置中的主反應(yīng)器，內(nèi)筒內(nèi)徑3 100 mm，切線長9 000 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。部分下封頭以及下封頭切線以上7 870 mm 的筒體被夾套包圍，夾套內(nèi)徑3 270 mm。內(nèi)筒及封頭材料為不銹鋼復(fù)合板（Q345R基層+S31603 覆層），夾套材料為Q345R。內(nèi)筒厚度（50 + 3） mm，封頭厚度（44 + 3） mm，夾套筒體厚度24 mm，夾套封頭厚度58 mm。反應(yīng)器的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the reactor

反應(yīng)器內(nèi)筒設(shè)計壓力2.42 MPa/FV，設(shè)計溫度300 ℃；夾套設(shè)計壓力0.82 MPa/FV，設(shè)計溫度300 ℃。

反應(yīng)器的操作周期為300 min，夾套分別通入蒸汽和冷卻水對內(nèi)筒物料進行加熱和冷卻，選取操作周期內(nèi)最苛刻的工況進行計算，見表1。

表1 操作周期內(nèi)的苛刻工況Table 1 Operating case during a batch cycle

反應(yīng)器被夾套包圍的區(qū)域存在較大的溫度波動，需要進行熱疲勞分析。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)器的主要失效模式為熱疲勞失效，故本文略去強度計算部分。

本文分析七種不同的結(jié)構(gòu)，夾套封頭外壁到設(shè)備中心線的距離L（L如圖2 中所示）分別從600 mm 到1 100 mm，其中，夾套封頭與內(nèi)筒體封頭連接封板厚度為80 mm，封板與連接處的封頭法線的夾角為60°，夾套筒體與內(nèi)筒體連接封板厚度為50 mm，結(jié)構(gòu)二在結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上，在夾套筒體距離下封頭切線600 mm 處增加了一個膨脹節(jié)，波高250 mm，波距110 mm，厚度20 mm，用于對比研究膨脹節(jié)的作用。

圖2 夾套封頭與內(nèi)筒體封頭連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of the jacket head and the inner head connection

結(jié)構(gòu)一：夾套封頭外壁到設(shè)備中心線距離L= 600 mm；

結(jié)構(gòu)二：夾套封頭外壁到設(shè)備中心線距離L= 600 mm，夾套筒體有膨脹節(jié)；

結(jié)構(gòu)三：夾套封頭外壁到設(shè)備中心線距離L= 700 mm；

結(jié)構(gòu)四：夾套封頭外壁到設(shè)備中心線距離L= 800 mm；

結(jié)構(gòu)五：夾套封頭外壁到設(shè)備中心線距離L= 900 mm；

結(jié)構(gòu)六：夾套封頭外壁到設(shè)備中心線距離L= 1 000 mm；

結(jié)構(gòu)七：夾套封頭外壁到設(shè)備中心線距離L= 1 100 mm。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

本文應(yīng)用有限元軟件進行數(shù)值分析，采用目前在國際上應(yīng)用極為廣泛的商用有限元計算軟件——ANSYS 進行有限元分析。對整體結(jié)構(gòu)進行熱疲勞分析，忽略接管的局部作用，采用二維軸對稱單元進行建模、網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分析[5]。

針對上文提到的七種結(jié)構(gòu)，對每種結(jié)構(gòu)進行分析研究。具體內(nèi)容包括：

（1）夾套蒸汽加熱工況和夾套冷卻水冷卻工況下的溫度場分析。

（2）夾套蒸汽加熱工況和夾套冷卻水冷卻工況的溫度場+結(jié)構(gòu)靜力耦合分析。

（3）熱疲勞分析。

有限元網(wǎng)格模型如圖3 ～ 6 所示。

圖3 有限元模型整體結(jié)構(gòu)Fig.3 The overall structure model

2.2 載荷與邊界條件

對1 節(jié)中所述的七種結(jié)構(gòu)分別進行如下計算：

（1）溫度場計算

反應(yīng)器內(nèi)壁與反應(yīng)物料對流傳熱，反應(yīng)器外壁與外界環(huán)境對流傳熱，內(nèi)筒外壁和夾套內(nèi)壁與蒸汽或冷卻水對流傳熱。

圖4 夾套筒體與內(nèi)筒體連接詳圖Fig.4 Connection of the jacket shell and inner tank

圖5 夾套封頭與內(nèi)筒封頭連接詳圖Fig.5 Connection of the jacket head and inner head

圖6 夾套筒體帶膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of jacket shell with a expansion joint

夾套蒸汽加熱工況：反應(yīng)器內(nèi)物料溫度50 ℃，夾套內(nèi)蒸汽溫度160 ℃，外界環(huán)境溫度10.9 ℃。反應(yīng)器內(nèi)壁與反應(yīng)物料間的對流傳熱系數(shù)1 600 W（/ m2·K），內(nèi)筒外壁和夾套內(nèi)壁與蒸汽間的對流傳熱系數(shù)6 000 W/（ m2·K），反應(yīng)器外壁與外界環(huán)境的對流傳熱系數(shù)為12 W（ m2·K）。

夾套冷卻水冷卻工況：反應(yīng)器內(nèi)物料溫度125 ℃，夾套內(nèi)冷卻水溫度34 ℃，外界環(huán)境溫度10.9 ℃。反應(yīng)器內(nèi)壁與反應(yīng)物料間的對流傳熱系數(shù)400 W/（ m2·K），內(nèi)筒外壁和夾套內(nèi)壁與冷卻水間的對流傳熱系數(shù)4 000 W/（ m2·K），反應(yīng)器外壁與外界環(huán)境的對流傳熱系數(shù)為12 W/（ m2·K）。

（2）溫度場與結(jié)構(gòu)靜力耦合計算

將溫度場求解后獲得的節(jié)點溫度場作為載荷，施加到相應(yīng)計算工況的結(jié)構(gòu)分析中，以求解熱應(yīng)力。反應(yīng)器內(nèi)壁與反應(yīng)物料接觸的表面施加操作壓力。內(nèi)筒外壁和夾套內(nèi)壁與蒸汽或冷卻水接觸的表面施加操作壓力。筒體上端施加軸向約束。

夾套蒸汽加熱工況：內(nèi)筒操作壓力-0.08 MPa，夾套操作壓力0.5 MPa。

夾套冷卻水冷卻工況：內(nèi)筒操作壓力0.13 MPa，夾套操作壓力0.3 MPa。

（3）熱疲勞計算

將第（2）小節(jié)中的夾套蒸汽加熱工況和夾套冷卻水冷卻工況的計算結(jié)果做差值運算。

3 結(jié)果分析與討論

對1 節(jié)中所述的七種結(jié)構(gòu)按2.2 節(jié)進行計算，分別按照J(rèn)B 4732—1995（2005 年確認(rèn)）《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[6]，計算得到最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度，該最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度位于夾套封頭與內(nèi)筒封頭連接處，為便于觀察，將變形放大50 倍，如圖7～13 所示。由最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度計算得到交變應(yīng)力強度幅，并計算出允許循環(huán)次數(shù)，再根據(jù)反應(yīng)器300 min 為一個循環(huán)周期，確定疲勞壽命。以反應(yīng)器的筒體和封頭與夾套內(nèi)蒸汽或冷卻水接觸的外壁面為基準(zhǔn)，計算換熱面積，詳細(xì)計算結(jié)果見表2。

圖7 結(jié)構(gòu)一的最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度分布云圖Fig.7 Maximum stress intensity difference of structure 1

圖8 結(jié)構(gòu)二的最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度分布云圖Fig.8 Maximum stress intensity difference of structure 2

圖9 結(jié)構(gòu)三的最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度分布云圖Fig.9 Maximum stress intensity difference of structure 3

圖10 結(jié)構(gòu)四的最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度分布云圖Fig.10 Maximum stress intensity difference of structure 4

圖11 結(jié)構(gòu)五的最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度分布云圖Fig.11 Maximum stress intensity difference of structure 5

圖12 結(jié)構(gòu)六的最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度分布云圖Fig.12 Maximum stress intensity difference of structure 6

圖13 結(jié)構(gòu)七的最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度分布云圖Fig.13 Maximum stress intensity difference of structure 7

表2 計算結(jié)果匯總Table 2 Summary of calculation results

通過計算對比發(fā)現(xiàn)，夾套筒體上設(shè)置膨脹節(jié)，不能緩解夾套封頭和內(nèi)筒體封頭連接處的局部應(yīng)力，反而會使該處的應(yīng)力水平增大；夾套封頭外壁到設(shè)備中心線的距離增大，被夾套包圍的內(nèi)筒體封頭的面積減少，從而反應(yīng)器的換熱器面積不斷減小；內(nèi)筒體封頭與夾套封頭連接處的最大應(yīng)力變化范圍的應(yīng)力強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，反應(yīng)器的疲勞壽命先增大后減小，當(dāng)夾套封頭外壁到設(shè)備中心線距離為900 mm 時，反應(yīng)器的疲勞壽命最長，可達(dá)21.1 年。

根據(jù)以上計算結(jié)果，不考慮膨脹節(jié)的影響，繪制夾套封頭外壁到設(shè)備中心線的距離與反應(yīng)器的疲勞壽命和換熱面積的關(guān)系曲線，如圖14 所示。

圖14 夾套封頭外壁到設(shè)備中心線距離與疲勞壽命和換熱面積的關(guān)系圖Fig.14 The relationship between the distance from the jacket head to the center line of the reactor and the fatigue life and heat transfer area

工程設(shè)計中，為了提高反應(yīng)器的疲勞壽命，往往以犧牲換熱面積為代價，增大夾套封頭外壁到設(shè)備中心線的距離。但是該距離并非越大越好，當(dāng)增大到某一程度后，隨著距離的增加，夾套封頭與內(nèi)筒封頭連接處的局部應(yīng)力不會繼續(xù)減小，反而會增大，既降低了疲勞壽命，同時換熱器面積也大大減小，這樣的結(jié)構(gòu)就明顯不合理了。因此，合理設(shè)計夾套的結(jié)構(gòu)是十分必要的。要綜合考慮工藝設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，既保證換熱面積又保證了反應(yīng)器的疲勞壽命，實現(xiàn)最優(yōu)組合。

4 結(jié)論

本文采用有限元方法，研究了某反應(yīng)器在夾套筒體上是否設(shè)置膨脹節(jié)以及夾套封頭外壁到設(shè)備中心線的不同距離對該反應(yīng)器熱疲勞壽命的影響，所得結(jié)論如下：

（1）夾套筒體設(shè)置膨脹節(jié)不能降低夾套封頭與內(nèi)筒體封頭連接處的應(yīng)力水平，反而使該處的應(yīng)力水平更高，并不能提高反應(yīng)器的疲勞壽命。

（2）隨著夾套封頭外壁到設(shè)備中心線的距離不斷增大，反應(yīng)器換熱面積不斷減小。

（3）隨著夾套封頭外壁到設(shè)備中心線的距離不斷增大，反應(yīng)器的疲勞壽命先增大后減小，存在一個最優(yōu)距離使得疲勞壽命最大。

（4）合理的夾套結(jié)構(gòu)，能有效地保證反應(yīng)器的換熱面積和疲勞壽命。