基于ANSYS的超高壓反應器應力分析與校核

孫 冰 余雛麟 高炳軍 王傳志

（1.聯泓新材料科技股份有限公司；2.河北工業大學化工學院；3.北京燕華工程建設有限公司）

LDPE（低密度聚乙烯）和EVA（醋酸乙烯）裝置因其工藝過程超高壓力的特性，決定了該反應系統壓力分別高達360、230MPa，屬于超高壓設備設計范疇，國內目前暫無獨立設計制造的能力，國外也僅有為數不多的幾家公司具備相應的能力。近年來，隨著市場對LDPE（EVA）產品需求的增加，LDPE（EVA）裝置的建造、投產等也迅速增多，對已投產設備的維護管理、失效分析等方法的需求也日趨迫切。超高壓設備與普通壓力容器設計采用的標準和規范均不相同，考慮自增強的影響，其相關分析計算更為復雜，一般需進行壓潰分析、線彈性分析、內應力分析及疲勞壽命分析等計算［1，2］。

國內某LDPE（EVA）裝置反應器為引進德國某公司設備，在運行過程中出現內壁磨損，最大磨損量6mm，因其制造周期長、造價高昂，不可能進行整體更新，但若繼續使用，需做相應的分析計算，同時采取相關措施，以確保反應器性能的安全可靠。筆者依據ASMEⅧ第3冊相關規則［3］，基于ANSYS對該反應器內壁磨損后影響較大的器壁內應力進行了分析，并與原始設計計算數據進行對比分析，得出相關的結論，制定并采取了對應措施，保證裝置在短時間內恢復生產。

1 超高壓反應器簡介

LDPE（EVA）裝置反應器為內置電機驅動攪拌槳葉式的特殊結構設計（圖1），設置7路物料進料口，采用頂部進料潤滑冷卻，上、下封頭采用典型的B形環自緊式超高壓密封結構，釜體配置4路爆破片緊急泄放口。

圖1 超高壓反應器結構簡圖

超高壓反應器原始設計參數如下：

設計壓力 230MPa

設計溫度 315℃

自增強壓力 380MPa

腐蝕裕量 3.18mm

主要介質 乙烯/醋酸

筒體材料 SA-723Gr3Cl2

設計溫度下的許用應力 490MPa

循環加載次數 1 500以上（0～200MPa）

整體設計壽命 40a

2 基于ANSYS的應力分析

2.1 分析方法

采用ANSYS 15.0軟件，使用N-mm-MPa-t-s法定計量單位制。本模型主要考慮設計工況，依據彈塑性機理，考慮反應器自增強處理的殘余應力，采用生死單元技術模擬缺陷生成過程。

對于靜強度分析，查看殼體所有結構不連續部位的應力情況，得出殼體中性面和內、外表面的應力強度值，依據強度判定準則，進行應力分類校核［3，4］。

2.2 力學模型

建模時，主要受壓元件均采用有效厚度，結合現場缺陷實際測量的形狀和位置尺寸建立模型［5，6］。模型的幾何結構如圖2所示。

圖2 包含缺陷的幾何模型

網格劃分選用六面體solid186和solid187單元，有限元網格模型如圖3所示。

圖3 有限元網格模型

2.3 邊界條件

所有與操作介質接觸的面施加設計壓力，在筒體端面施加軸向位移約束，在對稱面施加對稱約束。設計工況的邊界條件如圖4所示。

圖4 設計工況的邊界條件示意圖

2.4 應力計算結果

無缺陷反應器自增強處理后的環向殘余應力和設計壓力下的應力強度如圖5所示。有缺陷反應器自增強處理后的環向殘余應力和設計壓力下的應力強度如圖6所示。

圖5 無缺陷反應器的應力云圖

圖6 有缺陷反應器的應力云圖

2.5 應力等效線性化

在設計工況下，分別取3條路徑對反應器進行應力核算，強度核算方法依據JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》（2005年確認）進行，應力等效線性化路徑的選取原則是：

a.通過應力強度最大節點，并沿壁厚方向的最短距離設定線性化路徑；

b.對于相對高應力強度區沿壁厚方向設定路徑。

選取的路徑如圖7所示（無缺陷結構和有缺陷結構的路徑不同）。

圖7 反應器應力分析路徑

3 應力強度校核

應力強度核算方法依據JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》（2005年確認）進行。在應力校核中，各工況載荷組合系數K=1，材料許用應力極限Sm=490MPa。各條路徑的應力強度核算時，Pm表示一次局部薄膜應力，Pb表示一次彎曲應力，Q表示二次應力［7，8］。

設計工況下，無缺陷反應器的應力強度校核結果見表1、2。

表1 無缺陷反應器路徑1的應力強度校核結果

表2 無缺陷反應器路徑2、3的應力強度校核結果

設計工況下，有缺陷反應器的應力強度校核結果見表3、4。

表3 有缺陷反應器路徑1的應力強度校核結果

表4 有缺陷反應器路徑2、3的應力強度校核結果

設計工況時疊加自增加殘余應力后，無缺陷反應器的應力強度校核結果見表5、6。

表5 疊加自增加殘余應力后無缺陷反應器路徑1的應力強度校核結果

表6 疊加自增加殘余應力后無缺陷反應器路徑2、3的應力強度校核結果

設計工況時疊加自增加殘余應力后，有缺陷反應器的應力強度校核結果見表7、8。

表7 疊加自增加殘余應力后有缺陷反應器路徑1的應力強度校核結果

表8 疊加自增加殘余應力后有缺陷反應器路徑2、3的應力強度校核結果

設計工況時，兩種反應器內壁的最大應力強度見表9。

表9 兩種反應器內壁的最大應力強度

從計算結果來看，缺陷存在時，反應器的靜強度能夠滿足要求，但其內壁殘余應力有所減小，內壁總應力增大，抗疲勞性能下降，同時抗裂紋擴展能力下降。

為消除缺陷的影響，依據ASMEⅧ第3冊標準推薦，需對反應器的缺陷位置進行打磨，消除銳角，同時需定期對內壁進行無損探傷，探傷深度需覆蓋因自增強產生的彈塑性界面深度［9］。

4 結束語

超高壓容器/管道的失效模式不同于普通低壓設備，更多的是高周疲勞失效形式。為進一步評估設備能否滿足疲勞要求和抗裂紋擴展要求，同時校核設備的疲勞壽命變化情況，需運用斷裂力學基本理論和未爆先漏的失效模式進行核算。