基于ANSYS的氨合成塔底部六通元件有限元分析

周旭升，馬雯波

（湖南省特種設備檢測中心，湖南 長沙 410075）

基于ANSYS的氨合成塔底部六通元件有限元分析

周旭升，馬雯波

（湖南省特種設備檢測中心，湖南 長沙 410075）

通過有限元分析軟件ANSYS對氨合成塔底部六通元件進行強度分析，得到其在高壓下的應力分布云圖。通過對其危險截面的節點強度進行提取和應力線性化，獲得該截面的強度值。結果表明，該型號氨合成塔底部六通元件滿足設計載荷下的強度要求。

六通;氨合成塔;ANSYS;有限元分析

氨合成塔是在高壓、高溫下用來使氮氣和氫氣發生催化反應以進行氨合成的設備。氨合成塔底部連通裝置是氨合成塔與其它設備連接的必要承壓元件，對整套氨合成系統的安全性和經濟性有著極其重要的影響。以前對氨合成塔底部連通裝置的研究大多以等效板殼理論為基礎，即以圓筒側壁開孔強度校核公式來對底部連通裝置進行強度校核[1～2]。但當側壁開孔個數超過兩個且位置在要求聯合補強的范圍內時，此公式就不能適用[3]，本文所提到的某型號氨合成塔底部六通元件即屬此種情況，需要用有限元分析方法對其進行強度評定。

本文應用ANSYS有限元分析軟件，對底部六通元件進行有限元分析，結合JB 4732－1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》對所得到的分析結果進行強度評定[4]，判斷該結構的氨合成塔底部六通元件是否滿足強度要求。

1 有限元模型的建立

1．1 設計參數和強度計算條件

氨合成塔底部六通元件的相關設計參數如表1所示。

氨合成塔底部六通元件為1Cr5MoⅣ鍛件，通過查閱GB 150－1998獲得底部六通元件材料的力學性能，如表2所示，作為該元件的強度計算條件。

表1 底部六通元件的相關設計參數

表2 六通元件材料在計算溫度下（4OO℃）的力學性能

1．2 幾何模型的建立

底部六通元件開孔均采用透鏡墊密封，方形體上總共有6個開孔:1個?360的上端開孔、1個 ?177的下端開孔、1個 ?171和 3個 ?227的側面開孔，它們均采用透鏡墊密封。因底部六通元件結構具有對稱性，可沿元件的縱向對稱面切開，將其1／2作為應力分析模型。圖1為底部六通元件的三維幾何模型，其中突起的小圓柱表示螺栓。

圖1 底部六通元件的三維幾何模型

1．3 有限元模型的建立

網格劃分是有限元計算前處理的主要工作，也是整個有限元分析效果的關鍵。用有限元方法計算彈性力學空間問題時，其過程與計算平面問題時相似。首先把連續的空間彈性體變換成為一個離散的空間結構物，其模型的單元可以用四面體、六面體、棱柱等單元劃分[5]。本模型采用8節點四面體單元solid45進行網格劃分。底部六通元件的有限元模型如圖2所示。

圖2 底部六通元件的有限元模型

1．4 載荷和約束

氨合成塔底部六通元件所承受的壓力較高，結構重力對其影響相對較小，可忽略重力載荷。氨合成塔在運行時開停車次數較少，故可以忽略疲勞載荷的影響。通過分析得到該元件主要受到以下6個載荷的作用:內壓Pc;上螺紋法蘭對底部六通元件的拉力P1;底部六通元件下部開孔處透鏡墊螺栓拉力P2;方形體上?171開孔透鏡墊螺栓拉力P3;方形體上?227開孔（與?171開孔相對）透鏡墊螺栓拉力P4;方形體上?227開孔（與?171開孔相鄰）透鏡墊螺栓拉力P5。對底部六通元件施加的外載荷見圖3。對于內壓Pc，本文以設計壓力26MPa作為計算值。根據《高壓管件緊固件通用設計及有關標準》計算出六通元件所受 的 外 載 荷 P1～P5的 值 分 別 為 162．4N·mm－2、206．5N·mm－2、206．5N·mm－2、208．5N·mm－2和208．5N·mm－2。

考慮到底部六通元件的危險截面在開孔和上螺紋處，而下部側面處的材料比較充裕，強度可以保證，故約束六通元件下部側面一點的X向的自由度，以限制模型的剛體位移。對于模型的對稱面則施加對稱約束。對六通元件下部開孔處的圓線約束Z向的自由度。對底部六通元件施加的約束見圖3。

圖3 底部六通元件的載荷和約束示意圖

2 有限元計算結果分析

底部六通元件的有限元計算結果如圖4所示。從圖中可以看出在螺栓與底部六通元件連接處應力集中較大，容易出現塑性變形，應特別注意;在側壁開孔附近的應力集中雖然也比較大，但沒有達到屈服值，所以該處是安全的，在保證螺栓與底部六通元件連接處不出現塑性變形的情況下，可以適當減薄方形處的材料用量。

圖4 底部六通元件的應力強度分布圖

3 應力分類和強度評定

按照JB 4732－1995的要求，將元件各危險截面上各應力分量沿應力強度評定路徑進行線性化處理，將其按一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力、一次彎曲應力、二次應力和峰值應力進行分類，并計算出不同應力類型及其組合的應力強度，要求相應的應力強度不超過各自的許用值。

進行應力強度評定時應在最大應力強度點所處的危險截面進行應力線性化。選擇路徑的一般原則是選取截面上裂紋擴展路徑最短、導致破裂最危險的截面。由于本元件不存在疲勞破壞問題，因此對其峰值應力不進行強度評定。根據結構特點，為了對元件最危險的部位進行評定，選取8條應力評定線，如圖5所示。應力評定線1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8 上的薄膜應力均為一次局部薄膜應力，其強度用1．5Sm（Sm表示材料在設計溫度下的設計應力強度）限制;應力評定線上的彎曲應力屬于一次彎曲應力，它與薄膜應力之和的強度用1．5Sm限制，這兩個限制條件要求同時滿足[6～7]。

圖5 底部六通元件應力評定線的選取

各應力評定線的應力強度評定結果列于表3，Sm＝190MPa（參見表 2）。從表中可以看出各截面均能滿足應力強度校核條件。

表3 各危險截面的評定結果

4 結論

經過有限元分析，該型號氨合成塔底部六通元件滿足設計載荷下的強度要求。應用有限元方法對氨合成塔底部連通裝置進行強度分析可以找到裝置的危險部位，為設計和改造提供理論依據。

[1] 張康達，洪起超．壓力容器手冊[M]．北京:中國勞動社會保障出版社，2000．144-152．

[2] 陳曙光，李丁，劉薈瓊，等．氨合成塔底部五通有限元分析[J]．化工設備與管道，2010，47（6）:19-21．

[3] GB 150-1998，鋼制壓力容器[S]．

[4]JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設計標準[S]．

[5] 龔曙光，黃云清．有限元分析與ANSYSAPDL編程及高級應用[M]．北京:機械工業出版社，2009．67-71．

[6] 白海永，傅吉坤，周大坤．氨合成塔外殼雙錐環密封結構的分析[J]．壓力容器，2008，25（4）:24-27．

[7] 黃金國，李永泰，吳曉紅，陳永東，徐亮．合成回路蒸汽發生器的有限元分析[J]．壓力容器，2008，25（3）:27-33．

Finite Element Analysis of Six-pass Component at Bottom of Ammonia Converter Based on ANSYS

ZHOUXu-sheng，MA Wen-bo
（Hunan Special Equipment Inspection＆ Testing Center，Changsha 410075，China）

The strength analysis of the six-pass component at the bottom of the ammonia converter was carried out by using the finite element software，ANSYS．The stress distribution diagram was obtained．By picking the strength of the danger sections′nodes and linearizing the stress， the strength of the sections was gained．The result showed that this kind of six-pass component could meet the strength requirement under the design loads．

six-pass component; ammonia converter; ANSYS; finite element analysis

TQ 050．3

A

1671-9905（2011）07-0045-03

周旭升（1977-），男，機械工程專業博士，主要從事特種設備檢驗與科研工作。工作單位:湖南省特種設備檢測中心質量技術部，聯系地址及郵編:湖南省長沙市竹塘西路165號410075，電話:13677342306，Email:zxs0015＠163．com

2011-04-25