高壓氨分離器球形封頭組件的應力分析

李召生，李玉偉，曹麗琴

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046；2.燕山大學，河北 秦皇島 066004)

高壓氨分離器球形封頭組件的應力分析

李召生1，李玉偉1，曹麗琴2

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046；2.燕山大學，河北 秦皇島 066004)

文中采用有限元分析的方法對高壓氨分離器球形封頭組件進行了應力分析，詳細介紹了結構所承受的載荷及所施加的邊界條件，并對計算結果進行了評定和總結分析。

氨分離器；有限元；應力分析；應力評定

0 引 言

高壓氨分離器球形封頭上焊有兩個距離較近的接管，管端作用有管道載荷，接管與筒體連接位置的局部應力計算因不滿足通常使用的WRC297要求而無法計算，為精確計算該組件的應力，確定合理的結構尺寸，需采用有限元分析的方法對該結構進行計算。

1 結構及載荷說明

文中所要分析的結構簡圖如圖1所示，所用材料及許用應力見表1，圖1中的坐標系Z軸垂直紙面向外，有限元模型總體坐標系與本圖一致。圖中筒體和封頭內表面尺寸已減掉3 mm腐蝕裕量和0.3 mm鋼板負偏差，接管內表面已減掉3 mm 腐蝕裕量。工作壓力14.553 MPa，工作溫度-4 ℃，設計壓力17.0 MPa，設計溫度70 ℃。接管端部設計載荷P=351 200 N,TL=162 460 N,TC=162 460 N,ML=165 000 N·m，MC=165 000 N·m，MT=165 000 N·m，載荷方向如圖2所示。

圖1 結構簡圖

表1 材料及許用應力

圖2 管道載荷坐標系方向

2 模型及邊界條件

有限元模型如圖3所示，單元類型采用 ANSYS10.0軟件提供的4節點Solid45實體單元，總計劃分367 76個單元，468 54個節點。載荷及邊界條件施加示意圖如圖4-5所示,詳細施加情況見表2。管道載荷采用MPC綁定的方式施加。

圖3 有限元模型

圖4 管道載荷施加示意圖

圖5 內壓及管端等效力示意圖

表2 邊界條件

續表2

載荷條件繞Y軸接管扭矩N2接管端面面力1．65e8N·mmZ方向接管推力N2接管端面面力-162460N繞Z軸接管扭矩N2接管端面面力-247204760N·mm約束條件約束類型約束部位X向位移筒體端面Y向位移筒體端面與XZ平面相交的兩條直線Z向位移筒體端面與XY平面相交的兩條直線

表2中等效力及施加的彎矩計算過程如下：

(1)N1，N2接管端面等效力計算如下：

式中：Peqv為等效力，MPa；P為設計壓力，17MPa；Do為接管端部外直徑，508mm；Di為接管內直徑，437.8mm。

(2)管端彎矩計算：

①N1接管端面的彎矩:

繞X軸:MX=ML+TL*LN1=165 000 000+162 460*364.5=224 216 670N·mm

繞Y軸:MY=MC-TC*LN1=165 000 000-162 460*364.5=105 783 330N·mm

②N2接管端面的彎矩:

繞X軸:MX=MC-TC*LN2=165 000 000-162 460*506=827 952 40N·mm

繞Z軸:MZ=ML+TL*LN2=165 000 000+162 460*506=247 204 760N·mm

式中：MX,MY,MZ為計算時施加在接管端面的彎矩N·mm；MC,ML為接管彎矩載荷165 000 000N·mm；TC,TL為接管推力載荷162 460N；LN1為N1接管端面沿接管軸線到封頭內表面的長度 364.5 mm；LN2為N2接管端面沿接管軸線到封頭內表面的長度 506 mm。

3 計算結果及評定

圖6-7給出了左封頭組件在內壓和管道載荷作用下的應力分布及變形情況，從應力分布情況可以看出接管根部由于管道載荷的影響，應力分布變得不再均勻，但影響范圍并不大，兩開孔區域的應力并未疊加，都限制在接管根部的局部區域內。

圖6 應力分布云圖

圖7 應力分布云圖

選取六條危險路徑對應力進行線性化處理，對每條路徑上的總應力進行分類評定，路徑位置如圖8-10所示，評定情況見表3。

圖8 N1接管應力評定路徑

圖9 N2接管應力評定路徑

圖10 封頭應力評定路徑

表3 各路徑的應力評定

4 結束語

(1)在內壓和管道載荷作用下該結構強度是合格的。

(2)管道載荷對接管根部局部應力分布影響有限，范圍較小。

(3)計算時應注意管道載荷作用點與軟件施加載荷所需的作用點是否相同，若不同應考慮力平移后附加力矩的影響。

[1] 李建國.壓力容器分析設計的力學基礎及其標準應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2] JB4732-95，鋼制壓力容器—分析設計標準[S].

Stress Analysis for High Pressure Ammonia Separator Hemispherical head Assembly

LI Zhao-sheng1,LI Yu-wei,CAO Li-qin2

1.Harbin Boiler Company Ltd.，Harbin,150046；2.Yanshan University,066044)

The stress analysis for High Pressure Ammonia Separator Hemispherical head Assembly has been done by FEA. Detail boundary conditions and loads of the structure were introduced. The evaluation and analysis was done for calculation result.

ammonia separator; FEA; stress analysis; stress evaluation

2015-03-21

2015-04-08

李召生(1982 -)，男，工程師，主要從事壓力容器的常規和分析設計工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.003

TH49

B

1009-3230(2015)05-0007-04