反應釜多接管封頭有限元分析

鄭賢中，付 杰，劉根戰，羅 燕, 曹吉胤，楊 俠

(1.武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

反應釜通常用來完成復雜工藝過程，本文涉及的反應釜是用來完成鋁水反應制氫工藝過程，其內部需要承受一定強度的壓力。且反應釜的封頭部位有5個接管，中間位置接管N1是進料口，尺寸較大，較大的開孔會破壞原封頭的結構[1]，導致封頭上的應力分布產生變化并引起應力集中現象，造成材料失效，使封頭部位發生過度變形甚至破裂等[2]，這將導致反應釜內氫氣泄漏造成重大安全問題。因此分析反應釜封頭上的應力強度具有重要意義。本文使用SolidWorks對反應釜封頭建模，使用ANSYS有限元分析軟件對其進行詳細的應力分析[3]，確保其滿足應力強度要求。接著對封頭上平齊式和內伸式接管結構進行對比分析[4]。最后對大開孔處的結構進行優化，選擇補強管進行補強，以降低應力，進一步保證設備的安全性。

1 有限元分析

1.1 幾何模型

此反應釜封頭的設計參數如下：設計壓力為2.2 MPa，設計溫度為200 ℃，最大內徑為500 mm，壁厚為12 mm，主要受壓材料為S31603，材料的彈性模量E為206 GPa，泊松比μ為0.3。多接管封頭幾何模型如圖1所示，N1～N5分別是進料口、進水口、安全閥口、排氣抽真空口和氫氣出口，表1為各接管尺寸。

表1 各接管尺寸

圖1 多接管封頭幾何模型

1.2 網格劃分

首先利用三維建模軟件SolidWorks對多接管封頭進行幾何建模，并對幾何模型進行簡化處理去掉接管上方法蘭。因幾何參數和載荷邊界條件均對稱，故可建立1/2模型進行分析計算，以減小網格數量和計算量。整體網格通過了收斂性驗證，網格劃分如圖2所示。

圖2 多接管封頭網格劃分

1.3 載荷和約束

1.3.1 載荷

反應釜封頭內壁和接管內壁施加均勻分布壓力p0=2.2 MPa；在接管軸端面施加軸向平衡載荷[5]，軸向平衡載荷的計算公式為：

其中：Do為接管外徑；Di為接管內徑。經計算，各接管施加的軸向平衡載荷為pN1=-8.28 MPa,pN2=-4.38 MPa,pN3=-2.37 MPa,pN5=-1.76 MPa(N4與N3對稱)。

1.3.2 約束

封頭與反應釜筒體上法蘭焊接相接，所以對封頭下端面施加固定約束條件；對封頭和接管所在的對稱面施加無摩擦約束。施加載荷和邊界條件后的模型如圖3所示。

圖3 多接管封頭施加載荷和邊界條件 圖4 多接管封頭應力云圖 圖5 應力線性化路徑

2 有限元計算結果分析

2.1 應力分析結果

設計壓力下多接管封頭的整體應力云圖如圖4所示，最大應力位于封頭外壁面與接管N1相貫線上，其值為146.93 MPa。此處應力強度較大主要是由于應力集中，而應力集中產生原因分別有：反應釜封頭上的開孔處使得整個結構不連續；反應釜封頭與接管處是焊接，焊縫有工藝缺陷；焊接時高溫會導致局部金屬進行一次組織重組[6]。

2.2 應力評定

2.2.1 應力線性化路徑

對此多接管封頭進行應力線性化處理，對整體結構應力最大處設置兩條路徑SCL1、SCL2，接管N1應力最大處設置兩條路徑SCL3、SCL4，應力線性化路徑設置如圖5所示。

2.2.2 應力分類及評定結果

壓力容器在結構不連續區由內壓或其他機械載荷引起的薄膜應力和結構不連續效應產生的薄膜應力統稱為一次局部薄膜應力，而總體結構不連續處的彎曲應力主要是二次應力，峰值應力僅是導致疲勞破壞和脆性斷裂的根源，故在此處不予考慮。

因此本文封頭在開孔附近由內壓產生的薄膜應力屬于一次局部薄膜應力，彎曲應力屬于二次應力。

參考文獻[2]應力強度判斷準則為：

Pl≤1.5KSm=1.5×80=120 MPa；

Pl+Pb≈Pl≤1.5KSm=1.5×80=120 MPa；

Pl+Pb+Q≤3KSm=3×80=240 MPa.

其中：Sm為設計應力強度，Sm=80 MPa；K為載荷組合系數，取K=1；Pl為一次薄膜應力；Pb為一次彎曲應力；Q為二次應力。

各路徑應力線性化分布曲線見圖6，各路徑具體應力評定結果見表2。

表2 各路徑下應力評定結果

圖6 應力線性化曲線

綜上分析，此多接管封頭滿足應力強度要求。

3 大開孔結構優化

3.1 內伸、平齊接管強度對比

在其他結構與有限元設置相同的情況下，對內伸式接管計算分析得出其整體應力分布如圖7所示，內伸式接管局部結構如圖8所示。

由圖7可知，內伸式接管結構的整體應力強度最大處仍在封頭與接管N1相貫線上，但其最大值達到了170.35 MPa，而平齊式接管結構的最大應力為146.93 MPa，較內伸式接管結構的最大應力低13.7%。因此，此多接管封頭采用平齊式接管結構更好。

圖7 內伸式接管整體應力云圖 圖8 內伸式接管局部結構 圖9 補強后整體應力云圖

3.2 大開孔處結構優化

應力集中現象具有以下特點：被開孔殼體的δ/D越小，應力集中情況越嚴重(δ為封頭厚度，D為孔徑)。大開孔處孔徑尺寸較大，應力集中情況較嚴重，對大開孔處進行結構補強則可以極大地改善應力集中現象[7]。開孔處補強結構有三種，分別是補強圈補強結構、補強管補強結構和整體鍛件補強結構，本文采用補強管補強結構。其他尺寸、結構不變，采用相同有限元分析方法分析計算，得出采用補強管補強結構后的多接管封頭的應力云圖如圖9所示。

由圖9可知，補強后的多接管封頭最大應力仍位于封頭與接管N1相貫線處，其值為113.81 MPa，相比較于未采用補強結構的最大應力146.93 MPa，最大應力降低了22.5%。因此對于此多接管封頭使用補強管補強結構可以大大降低其應力集中問題。

4 結論

(1) 以上有限元分析計算結果顯示，此結構的最大應力出現在封頭外壁面與接管N1相貫線上。因此此處容易發生損傷破壞，是最危險區域。通過對最危險區域和次危險區域處設定應力線性化路徑，并進行應力線性化處理和分析評定，最終確定其應力在允許范圍之內，驗證了其設計的安全性和合理性。

(2) 通過有限元分析軟件對大開孔處接管結構做了對比分析，結果顯示采用平齊式接管結構的應力比采用內伸式接管結構的應力低，所以選用平齊式接管結構更加合理。在此基礎上，還對大開孔處結構做了優化，采用補強管補強結構大大降低了其大開孔處的應力，使設備安全性進一步得到提升。