轉(zhuǎn)化器中間隔板有限元分析及其優(yōu)化

賴育挺，郭華軍

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

化工設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)化器中間隔板有限元分析及其優(yōu)化

賴育挺，郭華軍

(中海油石化工程有限公司，山東青島266101)

轉(zhuǎn)化器是硫磺裝置中的重要設(shè)備，轉(zhuǎn)化器中間隔板是保證轉(zhuǎn)化器正常工作的關(guān)鍵部件。本文利用ANSYS有限元分析軟件對不同結(jié)構(gòu)的中間隔板進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性有限元分析。依據(jù)分析結(jié)果，論證了球冠封頭隔板結(jié)構(gòu)良好的受力性能及穩(wěn)定性能。

轉(zhuǎn)化器；隔板；球冠封頭；穩(wěn)定；有限元分析

1 整體描述

轉(zhuǎn)化器是硫磺裝置中的重要設(shè)備[1]，工程中一二級轉(zhuǎn)化器一般作為一臺(tái)設(shè)備的兩部分，即是一二級轉(zhuǎn)化器間設(shè)置中間隔板，整臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生兩個(gè)工作空間，左端為一級轉(zhuǎn)化器，右端為二級轉(zhuǎn)化器，由于工作狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)變化，所以一二級轉(zhuǎn)化器中間隔板會(huì)出現(xiàn)承受設(shè)計(jì)載荷工況的情況，所以一二級轉(zhuǎn)化器中間隔板需要通過分析計(jì)算來確定合理的安全結(jié)構(gòu)，以確保整臺(tái)設(shè)備工作的安全可靠。本文以硫磺實(shí)際工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)對中間隔板進(jìn)行了分析計(jì)算[2]。

圖1 一二級轉(zhuǎn)化器示意圖(未表示接管)

如圖1所示，一二級轉(zhuǎn)化器由一級轉(zhuǎn)化器和二級轉(zhuǎn)化器兩部分工作空間組成，一級轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)壓力與二級轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)壓力都是0.25MPa，所以中間隔板的校核工況為：一級轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)壓力為0.25MPa，二級轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)壓力為0；一級轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)壓力為0，二級轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)壓力為0.25MPa。

基于校核工況，本文選用兩種型式的中間隔板進(jìn)行校核，第一種隔板型式為平板(厚度24mm，兩面腐蝕裕量3mm)，第二種型式為球冠封頭(厚度24mm，兩面腐蝕裕量3mm)。

2 轉(zhuǎn)化器中間隔板有限元分析

2.1 有限元模型分析參數(shù)設(shè)置[3-4]

單元選擇SOLID186單元，泊松比均取0.3，彈性模量取1.83e11MPa。

2.2 網(wǎng)格劃分及荷載施加

平板隔板網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，球冠封頭隔板網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖2 平板隔板網(wǎng)格

圖3 球冠封頭隔板網(wǎng)格

平板隔板邊界條件及載荷施加結(jié)果如圖4所示，平板隔板計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 平板隔板邊界條件

圖5 平板隔板應(yīng)力結(jié)果

球冠封頭隔板邊界條件及載荷施加結(jié)果同平板隔板，不同處是球冠封頭隔板需要在左右兩側(cè)分別單獨(dú)施加設(shè)計(jì)壓力，所以在右側(cè)施加設(shè)計(jì)壓力時(shí)，需要分析封頭隔板的非線性屈曲失穩(wěn)，以保證中間隔板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全，球冠封頭隔板強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示，球冠封頭隔板穩(wěn)定穩(wěn)定性施加壓力為17MPa，球冠封頭隔板穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖6 球冠封頭隔板應(yīng)力結(jié)果

圖7 球冠封頭隔板應(yīng)力線性化結(jié)果

圖8 位移最大處載荷步與應(yīng)變關(guān)系曲線

圖9 應(yīng)力最大處載荷步與應(yīng)變關(guān)系曲線

2.3 結(jié)果評定

根據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器--分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))，平板隔板總應(yīng)力S=1650MPa，很明顯結(jié)果不滿足隔板使用要求，所以不能選用。球冠封頭隔板在正壓工況下，總應(yīng)力S=174MPa，經(jīng)過應(yīng)力線性化[5]，局部薄膜應(yīng)力S1=58MPa<1.5S，局部薄膜加局部彎曲應(yīng)力S2=131MPa<1.5S。所以同樣厚度的球冠封頭隔板在正壓工況下是安全可靠的[6-7]。如圖8與圖9所示，球冠封頭隔板在負(fù)壓作用下，失穩(wěn)的最大壓力保守為17MPa×0.1(其實(shí)可以取到0.2)=1.7MPa，一二級轉(zhuǎn)化器施加在球冠封頭隔板上的最大負(fù)壓僅為0.25MPa，所以球冠封頭隔板在負(fù)壓工況下是安全可靠的。

3 結(jié)語

利用ANSYS有限元分析了一二級轉(zhuǎn)化器中間隔板的平板和球冠封頭兩種隔板型式，基于分析結(jié)果，論證了同樣厚度的球冠封頭隔板比平板要有好得多的受力結(jié)果，保證了轉(zhuǎn)化器中間隔板結(jié)構(gòu)的安全合理性。

本文對球冠封頭隔板進(jìn)行了外壓失穩(wěn)的計(jì)算分析，保證了分析結(jié)果的全面性。

[1] 王志文.化工容器設(shè)計(jì)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998.

[2] 李建國.壓力容器設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)及其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3] 王國強(qiáng).實(shí)用數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[4] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工設(shè)備中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[5] 陸明萬.關(guān)于應(yīng)力分類問題的幾點(diǎn)認(rèn)識[J].壓力容器,2005,22(08):21- 26.

[6] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn))[S].北京： 中國機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[7] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB4732-1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)釋義[S]. 北京： 中國機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

(本文文獻(xiàn)格式：.轉(zhuǎn)化器中間隔板有限元分析及其優(yōu)化[J].山東化工，2017，46(16)：148-150.)

The Finite Element Analysis and Optimization for Partition Steel Plate of Converter

Lai Yuting，Guo Huajun

(Cnooc Petrochemical Engineering Co.,Ltd.，Qingdao 266101，China)

Converter is an important equipment in sulfurdevice, and partition steel plateis the key to Guarantee the normal work of the converter. Using ANSYS finite-element method，the article has analyzed the different structure of partition steel plate. On the basis of the analysis results，the articlehas demonstrated the spherical cap headwith good mechanical performance and stable performance.

converter; partition steel plate; spherical cap head; stable; finite-element analysis

TQ050.2

：A

：1008-021X(2017)16-0148-03

2017-06-08

賴育挺,工程師，碩士，從事石油化工設(shè)計(jì)工作。