冷氫化流化床反應器筒體與封頭焊接結構的應力分析

盛長海

（亞洲硅業（青海）有限公司，青海 西寧 810007）

冷氫化流化床反應器筒體與封頭焊接結構的應力分析

Stress analysis ofwelded structures between cold hydrogenation f uidized bed reactor cylinder and head

盛長海

（亞洲硅業（青海）有限公司，青海 西寧 810007）

流化床反應器是多晶硅冷氫化工藝生產過程中的核心設備。本文針對該設備的設計規范、材料要求，從焊接模型應力分析和強度校核，提出了有效的焊接方案，保證了流化床反應器的使用性能和安全性能。

流化床反應器；筒體 ；封頭；焊接模型；應力；強度

0 引言

冷氫化技術是將多晶硅生產過程中產生的副產物四氯化硅同步轉化為生產多晶硅所需要的中間原料三氯氫硅，實現物料的閉路循環，此工藝不僅徹底解決了多晶硅生產尾氣污染環境問題，而且實現了四氯化硅等副產物的回收利用，大大降低了生產成本。

流化床反應器是冷氫化工藝的關鍵設備，其流化床反應器的材質通常選用N08810系列合金，筒體與球形封頭均為焊接而成。根據薄壁殼體無力矩理論，球形封頭的壁厚約為圓筒體壁厚的一半，二者厚度相差較大。根據GB150焊接結構，可以采用堆焊方法將球形封頭薄殼邊緣局部加厚，焊成平滑的切線曲面補強悍接模型，使過渡段應力降低到最小值，滿足過渡段焊接的設計要求。

1 焊接模型（圖1）

假設流化床反應器設計壓力為3 MPa，設計溫度為590 ℃，筒體內半徑R1=1 000 mm，壁厚t1= 70 mm；球形封頭內半徑R2=1 010 mm，厚度t2= 45 mm。過渡段長度L≥（t1-t2）/2×3，L取90 mm，過渡段切線曲面補強焊接模式見圖2。

2 筒體與封頭連接模型二維應力分析

假設只考慮連接處應力計算，可采用二維軸對稱模型。封頭與筒體的壁厚不同，采用切線堆焊連接而成。二維軸向應力最大值為53.1 MPa，徑向應力最大值為48.7 MPa，環向應力最大值為61.9 MPa。在筒體內壁，Von Mises最大應力為57.2 MPa，由圖3所示，Tresca最大應力為66 MPa，見圖4。

圖1 高壓容器簡體與封頭連接處結構

圖2 切線曲面補強焊接模式

圖3 Von Mises應力

圖4 Tresca應力

3 筒體與封頭切線補強堆焊模型三維應力分析

流化床反應器由于是軸對稱，且上下對稱（略去管道分布不同）故采用1/8的計算模型。Von Mises最大應力值和所在位置與二維計算結果一致，如圖5所示。Tresca最大應力值和位置與二維計算結果一致，如圖6所示。

4 強度校核

筒體材料屬于塑性破壞（失效），故選擇第四強度理論的強度條件。不發生塑性屈服的強度條件：

σv=56.7 MPa

UNS N08810/W.Nr.1.4958常溫下的屈服極限為：σ0.2=1 800 kg/cm2=180 MPa

屈服安全系數ns=σ0.2/σv=180/56.7=3.17

這樣的安全系數是滿足要求的。

圖5 Von Mises最大應力值和所在位置與二維計算的結果

圖6 Tresca最大應力值和位置與二維計算的結果

5 結論

通過筒體伸長削邊和球形封頭薄殼邊緣局部加厚，焊成平滑的切線曲面補強焊接模型，使過度區域應力降低到較小值。切線堆焊Von Mises最大應力57.2 MPa，Tresca最大應力66.6 MPa，均滿足設計溫度下N08810的許用應力，切線堆焊的最大應力不在過渡段的焊縫連接處。最大應力均在允許的范圍之內，滿足了過渡段焊接的設計要求。

［1］ GB150.3-2010設計（附錄D：焊接接頭結構）.

［2］ 宋四兵，吳勇，郭俊霞. 多晶硅冷氫化反應器NUS NO8810厚壁封頭焊接工藝研究. 石油和化工設備，2012.10.

TQ264

1009-797X （2015） 16-0047-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.11

盛長海（1975-），男，學士學位，工程師，研究方向為多晶硅生產管理。

2015-06-28