轉化爐下部錐體接管及斜接管的應力分析

陳曉玲

（山西省化工設計院)

轉化爐下部錐體接管及斜接管的應力分析

陳曉玲*

（山西省化工設計院)

轉化爐是合成氨轉化工段的核心設備，其設計條件復雜。轉化爐下部錐體接管和斜接管不能采用常規設計方法進行設計，需要按照分析設計的方法設計。對轉化爐下部錐體接管和斜接管基本條件進行了詳細的說明，并明確提出了其設計狀態下的參數。使用ANSYS有限元軟件建立模型， 按照JB 4732—1995標準要求進行應力評定。通過詳細分析，證明了該結構設計合理。最后，提出了無損檢測的要求。

轉化爐 有限元 分析設計 強度計算 錐體 接管 應力

0 前言

轉化爐是合成氨轉化工段的核心設備。在焦爐氣中甲烷、烴類含量較高，但甲烷是氨合成氣中的“惰性氣體”，不能直接合成氨，必須通過轉化反應將甲烷轉化成CO、CO2和H2。干法脫硫工段的焦爐氣混入蒸汽，經加熱爐預熱后，從爐頂進入轉化爐；經空分后的氧氣混入壓縮空氣，配制成富氧氣，經富氧加熱爐加熱，從轉化爐噴嘴進入爐內。焦爐氣所含氫氣等在爐內與氧氣燃燒，提供轉化反應所需的熱量，甲烷在催化劑和高溫作用下轉化為CO、CO2、H2。從轉化爐出來的高溫轉化氣首先進入廢熱鍋爐換熱，產生中壓蒸汽；換熱后的轉化氣進入預熱爐與蒸-焦混合氣換熱，轉化氣溫度再次降低；從預熱爐出來的轉化氣進入干法脫硫系統與焦爐氣換熱，溫度最終降至320℃左右。經過一系列換熱后的變換氣進入變換工序的中變爐，進行變換反應。

1 基本條件

轉化爐結構復雜，由爐體、水夾套、夾套裙座等幾部分組成。轉化爐中物料屬于易燃易爆介質，其燃燒反應溫度最高時達到1600℃，因此爐體結構也比較復雜。爐體主要由球形上封頭、一段筒體、變徑段、二段筒體、錐形下封頭以及燒嘴、接管、人孔等各種構件組成。因其介質溫度高，爐體鋼筒體內部要澆筑比較厚的耐火澆注料來隔熱，以此降低筒體的金屬壁溫。本次設計的轉化爐整體按照常規設計標準GB 150—2011《壓力容器》進行設計，下部錐體段由于斜接管和大開孔接管超出了常規設計標準規定的范圍，因此采用分析設計標準JB 4732—1995（2005年確認） 《鋼制壓力容器——分析設計標準》進行設計。本文主要是對下部錐體斜接管的受力進行討論。轉化爐下部錐體斜接管的結構、尺寸詳見圖1。

下部錐體材料具體的數據見表1，強度計算主要數據見表2。

圖1 轉化爐下部錐體斜接管結構

2 有限元建模

先建立有限元模型，這是ANSYS分析中的前處理部分[5]，也是ANSYS有限元分析中很重要的一個部分，是ANSYS有限元分析的基礎。該模塊用于定義求解所需的數據，用戶可選擇坐標系統、單元類型、定義實常數和材料特性，然后建立實體模型并對其進行網格劃分，確定控制節點和單元，以及定義耦合和約束方程等[6-7]。

表1 材料特性表[1-2]

表2 強度計算數據表[3-4]

本次分析采用ANSYS 13.0軟件進行建模，對錐體和接管結構建立四分之一的對稱模型（見圖2）。選用20節點的SOLID186單元進行網格劃分 （見圖3），限制錐體上端面Y方向自由度；在設備對稱面上施加對稱約束；在結構內表面施加內壓2.4 MPa；在DN800接管端面施加拉應力17.3 MPa，在DN900接管端面施加拉應力25.3 MPa。

在沒有外載荷作用時，設計工況和操作工況的應力比值取決于設計壓力和操作壓力之比，因此在本次計算中只考慮設計工況[5-6]。上、下封頭壁厚尺寸如表3所示。接管建模時，壁厚應考慮腐蝕裕量，DN900鍛件與錐體的焊接接頭內角磨圓為R20，外角圓滑過渡為R40。此外，還應考慮其它接管的內倒角和外倒角，并保證其都平滑過渡。

圖2 結構模型

圖3 網格劃分

表3 結構壁厚建模尺寸

3 強度分析

經過計算，錐體接管結構的應力分布如圖4所示。在危險節點定義路徑，進行強度校核。具體路徑位置如圖5所示。

圖4 計算結果

圖5 定義路徑

（1）路徑1－1

局部薄膜應力強度SⅡ：

一次加二次應力強度SⅣ：

路徑1－1計算結果：合格。

（2）路徑2-2

局部薄膜應力強度SⅡ：

一次加二次應力強度SⅣ：

路徑2-2計算結果：合格。

（3）路徑3-3

局部薄膜應力強度SⅡ：

一次加二次應力強度SⅣ：

路徑3-3計算結果：合格。

（4）路徑4-4

局部薄膜應力強度SⅡ：

一次加二次應力強度SⅣ：

路徑4-4計算結果：合格。

（5）路徑5-5

局部薄膜應力強度SⅡ：

一次加二次應力強度SⅣ：

路徑5-5計算結果：合格。

（6）路徑6-6

局部薄膜應力強度SⅡ：

一次加二次應力強度SⅣ：

路徑6-6計算結果：合格。

（7）路徑7-7

局部薄膜應力強度SⅡ：

一次加二次應力強度SⅣ：

路徑7-7計算結果：合格。

4 結論與建議

轉化爐下部錐體接管和斜接管不能采用常規設計方法進行設計，需要按照分析設計方法設計。本文使用 ANSYS有限元軟件建立模型，按照 JB 4732—1995標準要求進行應力評定，共評定了7個路徑的應力。通過詳細分析，證明了該結構設計合理。因此，本文有如下結論和建議。

（1）在建模及強度計算時，比較充分地考慮了模型的細節和各種影響因素，因此分析結果可靠。

（2）所有A、B類焊接接頭應內外磨平，接管與筒體、接管與封頭的焊接接頭焊后應按標準的要求磨圓平滑過渡。

（3）設備無損檢測的要求如下所述：

殼體用的Q345R鋼板應逐張進行超聲波檢測，按NB/T 47013.2—2015標準中Ⅱ級為合格；

A、B類焊接接頭射線檢測比例為100%，按NB/T 47013.2—2015中Ⅱ級為合格，其射線檢測技術等級為B級 (附加超聲檢測其檢測比例為100%，超聲檢測按NB/T 47013.3—2015進行，Ⅰ級為合格，超聲檢測技術等級不低于B級)；

與筒體、封頭相連接的公稱直徑大于200 mm的接管應進行超聲檢測，按NB/T 47013.3—2015中Ⅰ級為合格，超聲檢測技術等級為C級；

熱處理及液壓試驗后，設備所有對接接頭和角接接頭表面應進行100%磁粉無損檢測，其結果符合NB/T 47013.4—2015中的Ⅰ級為合格。

（4）設備組焊后，進行爐內整體消除應力熱處理，所制備的焊接試板應與容器一起進行熱處理。容器殼體上的連接件 (包括鉚固釘、吊耳和墊板)在熱處理前都應與殼體焊好，熱處理后不允許再在殼體上施焊，不得采用硬印作為材料和焊工標記。

[1]潘家禎．壓力容器材料實用手冊——碳鋼及合金鋼[M]．北京：化學工業出版社，2000：834-836．

[2]中國石油和化學工業聯合會.鋼制化工容器材料選用規定：HG/T 20581—2011[S].北京：中國計劃出版社，2011：53-60.

[3]中國石油和化學工業聯合會.鋼制化工容器設計基礎規定：HG/T 20580—2011 [M].北京：中國計劃出版社，2011：14-21.

[4]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.鋼制壓力容器——分析設計標準： JB 4732—1995（2005年確認）[S].北京：新華出版社，2007.

[5]龔曙光．ANSYS在應力分析設計中的應用 [J]．化工裝備技術，2002，23(1)：29－33．

[6]倪棟，段進，徐文成，等．通用有限元分析ANSYS 7.0實例精解 [M]．北京：電子工業出版社，2003．

[7]劉濤，楊鳳鵬．精通ANSYS[M]．北京：清華大學出版社，2001．

Stress Analysis of the Nozzle and Oblique Nozzle in the Lower Cone of Conversion Furnace

Chen Xiaoling

The conversion furnace is the core equipment of the synthesis ammonia conversion section,and its design condition is complex.The nozzle and oblique nozzle in the lower cone of converter can′t be designed by conventional design method,and they need to be designed in accordance with the method of analysis and design. The basic conditions of the nozzle and oblique nozzle were described in detail,and the design parameters were put forward.The finite element software ANSYS was used to establish the model,and the stresses were evaluated according to JB 4732-1995.Through detailed analysis,it was proved that the structure was reasonable in design. Finally,the requirements of nondestructive testing were proposed.

Conversion furnace；Finite element；Design by analysis；Strength calculation；Cone；Nozzle；Stress

TQ 052.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.002

2016-04-05）

*陳曉玲，女，1984年生，碩士，工程師。太原市，030024。