加氫反應器裙座支撐區的機械應力分析

張彥軍，任建明

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

加氫反應器裙座支撐區的機械應力分析

張彥軍，任建明

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

加氫反應器是石油產品加工的重要設備，由于其工作在高溫高壓的場合下，機械應力很大，所以對其裙座支撐區的機械應力分析就尤為重要，在設計時不應忽略。利用ANSYS軟件建立了加氫反應器裙座支撐區有限元模型，并對其進行機械應力分析。

機械應力； 有限元分析； 裙座支撐區； 線性應力分析

加氫反應器是石油產品加工的重要設備,其基本結構如圖1，加氫反應器由于壓力較高，一般為結構細長，并采用球形封頭。加氫煉制工藝一般為氫氣和原料油按照一定比例從頂端得管口進入加氫反應器，經過入口分配器均勻分布在反應器的催化劑上，在催化劑床層中發生反應，由于該反應時放熱反應，為了調節反應器的溫度，從一側的冷氫管加入冷氫，冷氫與油氣在冷氫箱內充分混合，以吸收反應熱，避免反應超高溫，加氫精煉制過程是分段進行的，經過多段催化反應生成的成品油經反應器下端的出口收集器從出口管流出，底部的卸料管用于停工時卸料[1]。

加氫反應器裙座支撐區是其高應力區之一，也是經常出現問題的的區域，所以對其進行機械應力分析是極其必要的。

1 加氫反應器

1.1 加氫反應器裙座h型鍛件

該部分上部連接筒體，下部連接封頭及裙座，h型鍛件厚度一般設計為3 mm，分別用于筒體、封頭及裙座，如圖2所示。

1.2 基本設計參數

設計壓力P= 8.8 MPa；

設計溫度T= 347 ℃；

泊松比μ= 0.3；

材料2.25Cr-1Mo。

圖1 加氫反應器結構簡圖Fig.1 Hydrogenation reactor structure diagram mode

2 有限元模型

2.1 有限元簡介

本文采用由世界上最強大的有限元分析軟件開發公司之一美國 ANSYS公司研發的有限元分析軟件ANSYS 軟件進行述職模擬分析。該軟件融結構、流體、電場、磁場等于一體，ANSYS是一款通用性極強的分析軟件。早在 1995年的10 月份，經全國的壓力容器標準化委員會的研究和測試，認定ANSYS軟件與壓力容器的分析和設計的標準相適應，可以用于壓力容器分析設計以及改造。

2.2 模型簡化

根據加氫反應器裙座支撐區h型鍛件的結構建立如圖2所示，因為其軸對稱所以就采用軸對稱模型，其中與h型鍛件的筒體及裙座的長度足夠長，遠大于2.5倍的邊緣，由于主要討論h型鍛件連接區的應力分布規律，忽略了下封頭的開孔接管，截面尺寸如圖2所示，其中，筒體端部以面力P2模擬封閉筒體受力情況。

圖2 裙座支撐區應力有限元計算模型Fig.2 Skirt area of sreee finite element

2.3 單元選擇和網格劃分[1]

在分析中采用structural Solid中的Quad 8node 82單元。網格劃分采用自由劃分原則，并且在局部進行細化，是得結果更加精確，劃分為網格的模型如圖3。

圖3 模型的網格局部細化劃分圖Fig.3 Model grid refinement division figure

2.4 模型的位移邊界條件和載荷

根據該設備的結構、載荷特性以及在總體坐標下對模型邊界約束。在模型的另一半的交界面上加對稱約束位移x= 0。將設備底部限定在地面上，使得y方向的位移為0。

載荷由于該設備主要承受內壓，所以在內表面施加P的壓力。由于該設備還承受筒體上部的重力，所以在其端部施面力P1如圖4。

圖4 施加載荷條件模型Fig.4 Applied load conditions model

式中：P1—設備重力在筒體端部產生的應力；

P2—內壓引起的筒體端部軸向平衡面力。

公式中其它參數見表1。

表1 參數數據Table 1 Each parameter physical quantities

3 有限元分析結果

由于加氫反應器長期在高溫高壓的臨氫環境中工作， 操作過程中的溫度和壓力的波動，開停工過程中壓力和溫度的變化等都會引起反應器應力循環疲勞、裂紋萌生和已存在缺陷的疲勞擴展，給在役熱壁加氫反應器的正常生產帶來安全隱患。因為機械應力大，使裙座支撐區的應力狀況進一步惡化，設計時不容忽略，因此應對加氫反應器裙座支撐區進行機械應力分析。

由應力分析強度云圖5可知，最大應力強度發生在h形鍛件內的上端部的內側以及下端圓弧的內側，以及其他一些可能的部位如過度圓角處。在這3個最大應力強度區，各取一條應力評定路線進行線處理，如圖6。

圖5 機械應力強度云圖Fig.5 Mechanical stress intensity image

圖6 應力評定路徑Fig.6 Stress assessment Path

3.1 應力線性化原理[8]

應力線性化原理是內嵌在ANSYS有限元分析軟件計算結果的數據后處理中，它首先要求沿壁厚拾取兩個端點作為路徑。軟件系統則在路徑上通過內插法自動生成47個插值點，并把計算結果映射到路徑上。然后運用軟件內置計算公式進行應力分類，取最大應力位置的一條路徑。如圖7。在內壓及其自重下，路徑上的薄膜應力，薄膜加彎曲應力可以視為一次加二次應力，三條路徑上的應力見表2。

表2 加氫反應器裙座支撐區機械應力評定路徑線處理結果Table 2 The results of hydognation reactor skirt support area of mec hanical stress path

圖7 路徑1-1應力云圖Fig.7 1-1 cloud stress path

4 強度校核[9]

按照ASME 鍋爐及壓力容器規范第Ⅷ卷第二冊中AD-14O設計準則的規定，強度校核采用最大剪應力理論，應力強度規定為最大剪應力的2倍,即

式中:S12=σ1﹣σ2;S23=σ2﹣σ3;S31=σ3﹣σ1

S—應力強度;

σ1—第一主應力;

σ2—第二主應力;

σ3—第三主應力。

根據ASME 鍋鍋爐及壓力容器規范第Ⅶ卷第二冊強制性附錄4 ( 以應力分析為基礎的設計) 中的規定：

（1）一次總體薄膜應力強度Pm應不超過設計許用應力強度值Sm，即Pm≤Sm。

（2）一次局部薄膜應力強度許用極限PL為1.5Sm，即PL≤1. 5Sm。

（3）一次局部薄膜應力加一次彎曲應力的應力強度PL+Pb的許用極限為1.5Sm，即：PL+Pb≤1.5Sm。

（4）一次局部薄膜應力加一次彎曲應力及二次應力的應力強度PL+Pb+Q的許用極限為3Sm，即：PL+Pb+Q≤3Sm。

其中Sm為許用應力。

根據上述規定，可對本分析中的最大應力經行強度校核，(Sm=157 MPa)見表3。

表3 最大應力點強度校核Table 3 The strength check of maximum stress Point

從表3 可見，強度校核評定結果均屬安全。

5 結束語

(1) 本文應用有限元軟件ANSYS對加氫反應器裙座支撐區進行了和應力分析，并根據應力分析設計方法，采用ASME 第Ⅶ卷第二冊的規范對其危險截面進行了強度校核，認為該加氫反應器裙座支撐區在正常操作運行過程中是安全的。

(2)裙座壁厚對加氫反應器裙座支撐區最大當量應力存在于筒體和圓形封頭處，所以在設計時應考慮在工藝、制造及條件允許的情況下，應該盡量增加裙座壁厚。

(3)有限元分析計算提供了可靠而豐富的各種應力數據，對設計來說應用起來很方便。

(4)同時也要就我們充分了解復雜應力的分布，以及對一些知識的掌握才能正確地運用這個軟件，才能真正的發揮出其獨特的優越性。

［1］陳洪軍，王呼佳.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京:中國水利水電出版社，2006:110-235.

［2］崔靜.加氫反應器h型鍛件與裙座連接側厚度的確定[J].壓力容器，2004,20(6):23-26.

［3］JB4710—1992鋼制塔式容器[S].

［4］JB4732—1995鋼制壓力容器——分析設計標準(第一版)[S].

［5］賀匡國.壓力容器分析設計基礎[M].北京:機械工業出版社,1995: 88-120.

［6］劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學出版社，2002:45-90

［7］郭崇志，陳文昕，紀昌盛.大型薄壁壓力容器Shell5單元模型的應力線性化分析[J].化工機械沒，2005,32:275-278.

［8］楊德生，繆正華，趙國臣.應力線性化原理在壓力容器分析設計中的應用[J]．化工裝備技術，2010,32(1):21-22.

［9］ASME SECTION-VIII-1 ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅷ卷卷1:壓力容器建造規則,2007版[S].

Mechanical Stress Analysis of Hydrogenation Reactor Skirt Support Area

ZHANG Yan-jun,REN Jian-ming
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The hydrogenation reactor is a kind of important equipment for production of petroleum products. Because the hydrogenation reactor works under high temperature and high pressure condition, and it has high mechanical stress, mechanical stress analysis of skirt support area is more significant and shouldn’t be ignored during the design. In this paper, the finite element model of the hydrogenation reactor skirt support area was established by using ANSYS software, and its mechanical stress was analyzed.

Mechanical stress ; Finite element analysis ; Skirt a support area ; Linear stress analysis

TQ 050.1

A

1671-0460（2011）11-1152-04

2011-09-15

張彥軍（1985-），男，內蒙古烏海，碩士，2009年畢業于遼寧石油化工大學，流體密封：流體密封。E-mail：422078094@qq.com。