高壓加氫反應器結構強度分析

陳 慶，王茂廷，馬文濤，石崇夫，李 偉

（1．遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001；2. 中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東 青島 266000； 3. 遼河油田油氣集輸公司，遼寧 盤錦 124000）

加氫反應器在煉油、化工行業中有廣泛的應用，在煉油工業中，高壓高溫加氫精制技術已經超過半個世紀的歷史。該類設備承受壓力高結構特殊，受力復雜，造價昂貴。使用常規設計方法往往存在材料的浪費，安定性不足等問題。使用分析設計的方法可以降低材料的安全系數，采用較高的許用應力，并能夠對結構做出詳細的應力分析。本文以某化工廠加氫反應裝置為例，對加氫反應器物料出口、卸料口、下封頭部位采用有限元軟件ANSYS對該設備進行有限元分析[1,2]。

1 有限元

有限元法是適應于電子計算機的使用而發展起來的數值計算方法，有限元認為：整體結構可以看作由有限個力學小單元互相連接而組成的集合，得到每個單元的解，組合起來就能得到整體結構的解。在分析求解時，必須對單元位移的分布做出一定的假設，即選擇一個簡單的函數來近似的表達單元位移分量隨坐標變化的分布規律，這種函數稱為位移函數。根據選定的位移模式，用節點位移表示單位內認一點的位移，其矩陣表達形式[3,4]為：

式中：{ f }—單元內任一點的位移矩陣

{δ}e—單元節點位移陣列

{ N }—形函數矩陣

根據所有相鄰單元在公共節點上的位移相同和每個節點力與節點載荷保持平衡的原則，形成總的剛度方程：

式中{ R }為總的剛度矩陣。

2 高壓加氫反應器模型

2.1 結構模型

加氫反應器的下封頭簡圖如圖1所示，主要有下封頭，出料口，卸料口，法蘭接管都組成。筒體內徑3 200 mm，設計壓力19.9 MPa，水壓試驗壓力28.9 MPa，設計溫度450°C。

圖1 封頭結構模型圖Fig.1 Head structure model diagram

2.2 材料屬性

主要受壓元件為 12Cr2Mo1VR鋼板和12Cr2Mo1V，各材料均在線彈性范圍內。材料在各個溫度下的材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

2.3 有限元模型

出料口由于物料的原因存在管口載荷，對整體模型使用Solid186單元進行網格劃分。整個模型都采用六面體網格，共計單元數27 134，節點數135 238。劃分單元后的有限元模型如圖2所示。在本文的加氫模型中，在出料口出還存在管口載荷，由于有限元軟件ANSYS中對實體單元Solid186不能直接施加彎矩和扭矩載荷，因此使用MPC184單元對出料口法蘭處施加管口載荷。

2.4 邊界條件

（1）上封頭處施加完全固定約束；

（2）物料出口施加端面載荷：P =-3.2 MPa；

（3）卸料口施加端面載荷：P =-20.8 MPa；

（4）內壓載荷：設計壓力P =19.9 水壓試壓載荷P =28.9 MPa；

（5）物料出口法蘭處施加管口載荷：FX=20 kN,FY=20 kN, FZ=20 kN, MX=40 kN·m, MY=40 kN·m MZ=40 kN·m。

3 有限元分析結果

封頭在設計壓力下的第三強度當量應力云圖如圖3所示。危險截面主要發生在封頭法蘭處和出料口彎管處。

圖2 封頭有限元模型Fig.2 Finite element model of the head

如圖4是接管法蘭應力云圖，法蘭處的應力最大值達到了324.5 MPa。這主要是由于在此區域的結構不連續引起的應力集中，此處的應力應屬于局部應力，具有自限性。如圖5是彎管的應力云圖，此處的應力主要是由于管口載荷引起的，造成了很大的彎曲應力。

圖3 封頭整體第三強度當量應力云圖Fig.3 The head overall strength equivalent stress cloud

圖4 封頭法蘭第三強度當量應力云圖Fig.4 Head flange strength equivalent stress cloud

封頭在水壓試驗壓力下的第三強度當量應力云圖如圖6所示。最大應力發生在封頭法蘭處。最大應力達到了503.3 MPa。主要是由于壓力在此不連續處產生的彎曲應力集中造成的。

圖5 彎管第三強度當量應力云圖Fig.5 The elbow strength of equivalent stress cloud

圖6 水壓試驗下封頭整體第三強度應力云圖Fig.6 Hydrostatic testing under head overall strength stress cloud

4 強度評定

圖7 評定路徑Fig.7 Assessment path

根據 JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設計標準》將下封頭、法蘭、接管的危險截面進行等效線性化處理，得到在截面的上的主應力，通過主應力即可得到第三強度當量應力，并分別歸為一次總體薄膜應力（PL），一次局部薄膜應力（Pb），二次應力（Q），峰值應力等。路徑選取的原則是通過應力最大處，并沿壁厚的最短距離處[5,6]。在設計載荷下取 4條路徑（1-4）進行評定，在水壓試驗下取 3條路徑（5-7）進行評定，其中5-7分別對應1-3。(圖7，表 2)。

表2 各評定路徑的評定結果Table 2 The evaluation results of the evaluation path

5 結 論

（1）出料口法蘭出存在的管口載荷對出料口彎管早成了比較大的彎曲應力

（2）采用ANSYS軟件能夠準確反應出各個部位的真實應力狀態，方法簡單實用，為應力評定提供了準確的參考和依據

（3）通過計算在下封頭法蘭處還有一定的裕量，可以對下封頭法蘭進行結構上的改進和優化。

［1］余偉煒，高炳軍，等．ANSYS在機械與化工裝備中的應[M]．北京：中國水利水電出版社，2007．

［2］ 凎胡兆吉， 吉昌，涂文鋒．卡箍式快開問壓力容器的有限元接觸分析[J]．壓力容器，2012,29（3）：12-16．

［3］王勖成．有限單元法[M]．北京：清華大學出版社，2003．

［4］明萬，徐鴻．分析設計中若干重要問題的討論（一）[J]．壓力容器，2006，26（1）：15-19．

［5］JB 4732—1995鋼制壓力容器—分析設計標準[S]．

［6］GB 150—2011鋼制壓力容器[S].