低溫罐主要部件應(yīng)力計(jì)算及泄漏分析

張遠(yuǎn)新，於潛軍，張佳雄

(1.中國(guó)化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441000；2.湖南中偉智能制造有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410138)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，石化設(shè)備向大型化發(fā)展，接管口徑也越來(lái)越大，這對(duì)石化設(shè)備的設(shè)計(jì)制造提出了更高的要求；伴隨電算化的進(jìn)步，對(duì)異形接管法蘭[1]的應(yīng)力計(jì)算由以前的粗略方法正在向精細(xì)方法轉(zhuǎn)變；常規(guī)計(jì)算由于忽視了接管在特定工況下的強(qiáng)度以及剛度條件，已無(wú)法適應(yīng)大型石化設(shè)備異形法蘭接管的制造要求，而應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法在解決此類問(wèn)題的計(jì)算上就盡可能地將各類工況考慮得更全面，于是能更好地服務(wù)于設(shè)計(jì)及制造。本文即是通過(guò)在有限元分析軟件ANSYS18.0中對(duì)該低溫罐的長(zhǎng)圓形法蘭強(qiáng)度、剛度及耳座強(qiáng)度進(jìn)行了分析計(jì)算后，再做詳盡的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，最后得出安全可行的結(jié)論，并提出合理的建議。文中所提及的材料參數(shù)均來(lái)自GB/T 150.1～150.4—2011《壓力容器》[2]。

1 有限單元法原理[3]

有限單元法是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。

在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法。當(dāng)采用位移法時(shí)，彈性體的有限單元法[1]可用下面的公式表示：

[K]·[δ]=[F]

(1)

式(1)中：[F]為節(jié)點(diǎn)載荷矩陣；[δ]為節(jié)點(diǎn)位移列陣；[K]為結(jié)構(gòu)總剛矩陣。

2 有限元應(yīng)力分析

2.1 設(shè)備及接管簡(jiǎn)圖

低溫罐長(zhǎng)度為6 725 mm，筒體直徑(ID)為4 800 mm×32 mm，低溫罐結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1；長(zhǎng)圓形法蘭長(zhǎng)度為2 810 mm，長(zhǎng)邊方向長(zhǎng)度為2 000 mm，螺栓孔及螺栓均勻分布，長(zhǎng)圓形法蘭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2；耳座位置見(jiàn)圖1中部云線位置，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖1 低溫罐結(jié)構(gòu)

圖2 長(zhǎng)圓形法蘭結(jié)構(gòu)

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

低溫罐設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。該設(shè)備的制造材料應(yīng)遵循GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼S30408材料，其許用應(yīng)力Sm為122.6 MPa，彈性模量為1.912 5×105MPa，泊松比為0.3。

2.3 幾何建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)與載荷及約束對(duì)稱性特點(diǎn)，本報(bào)告采用四分之一模型進(jìn)行應(yīng)力分析。創(chuàng)建實(shí)體模型見(jiàn)圖4。

圖4 低溫罐實(shí)體模型

圖2所示的計(jì)算簡(jiǎn)圖由筒體、封頭、長(zhǎng)圓形法蘭、耳座組成，其中，長(zhǎng)圓形法蘭為重點(diǎn)考慮對(duì)象之一。結(jié)合該模型的幾何結(jié)構(gòu)及工況下載荷，建立包括長(zhǎng)圓形法蘭、筒體、封頭、耳座在內(nèi)的三維實(shí)體模型。建模時(shí)，其有效厚度均已扣除腐蝕裕量，且已考慮板材的厚度負(fù)偏差。采用先建立厚度面，再將面繞軸中心線旋轉(zhuǎn)360°的方式得到實(shí)體模型，再建立長(zhǎng)圓形法蘭和耳座，通過(guò)布爾運(yùn)算后，刪除多余的部分，即得到三維實(shí)體模型(見(jiàn)圖4)。網(wǎng)格劃分過(guò)程中，采用solid185實(shí)體單元(8節(jié)點(diǎn))對(duì)三維模型進(jìn)行映射劃分，且厚度方向線上確保有4段，方可保證厚度方向上有4層網(wǎng)格單元，保證了網(wǎng)格的質(zhì)量，為后續(xù)計(jì)算結(jié)果的精確度提供保障。網(wǎng)格模型經(jīng)過(guò)上述網(wǎng)格劃分后共有224 334個(gè)單元、2 812 927個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖5～7。

圖5 低溫罐網(wǎng)格模型

圖6 耳座網(wǎng)格模型

圖7 長(zhǎng)圓形法蘭網(wǎng)格模型

2.4 施加位移邊界條件和力學(xué)邊界條件2.4.1 位移邊界條件

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)與載荷及約束對(duì)稱性特點(diǎn)，本報(bào)告采用四分之一模型進(jìn)行應(yīng)力分析，設(shè)備在正常操作工況下，耳座底板全約束，兩對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。施加約束后的模型見(jiàn)圖8。

圖8 施加對(duì)稱約束

2.4.2力學(xué)邊界條件

在設(shè)計(jì)工況下，設(shè)備承受均布內(nèi)壓，長(zhǎng)圓形接管端面施加平衡載荷，法蘭螺栓面承受螺栓載荷以及考慮設(shè)備自重、介質(zhì)重量和機(jī)具的重力載荷，施加載荷后的力學(xué)模型見(jiàn)圖9。

圖9 施加重力荷載及螺栓荷載

2.5 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力評(píng)定

在對(duì)計(jì)算后的結(jié)果文件進(jìn)行后處理后，在軟件中可查看到設(shè)計(jì)工況下整體結(jié)構(gòu)的Tresca應(yīng)力云圖。該云圖顯示SMX為359.234 MPa，超過(guò)材料的許用應(yīng)力值137 MPa；需要做應(yīng)力評(píng)定。整體結(jié)構(gòu)的Tresca應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10；通過(guò)在應(yīng)力最大位置點(diǎn)進(jìn)行厚度方向的應(yīng)力評(píng)定(見(jiàn)圖11)。

圖10 整體結(jié)構(gòu)Tresca應(yīng)力云圖

圖11 封頭Tresca應(yīng)力云圖及路徑SCL1

2.6 強(qiáng)度評(píng)定

應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為JB4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)規(guī)范》(2005確認(rèn))，主應(yīng)力差：S12=σ1-σ2；S23=σ2-σ3；S31=σ3-σ1；應(yīng)力強(qiáng)度：S=max{|S12|，|S23|，|S31|}，一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為KSm，一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5KSm，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5KSm，一次應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度極限為2.6Sm，Sm為許用應(yīng)力強(qiáng)度。K為載荷系數(shù)，本設(shè)計(jì)工況下取K=1.0。

2.6.1封頭

由封頭Tresca應(yīng)力云圖可知，封頭的等效當(dāng)量應(yīng)力最大值位于封頭與筒體連接處，最大當(dāng)量應(yīng)力值為207.818 MPa，應(yīng)力評(píng)定路徑見(jiàn)圖10，路徑SCL1應(yīng)力線性化結(jié)果分析見(jiàn)表2。

表2 路徑SCL1評(píng)定結(jié)果

2.6.2筒體

由筒體Tresca應(yīng)力云圖12可知，筒體的等效當(dāng)量應(yīng)力最大值位于筒體與長(zhǎng)圓形接管圓弧段連接處，最大當(dāng)量應(yīng)力值為359.234 MPa，應(yīng)力評(píng)定路徑SCL2應(yīng)力線性化結(jié)果分析見(jiàn)表3。

圖12 筒體Tresca應(yīng)力云圖及路徑SCL2

表3 路徑SCL2評(píng)定結(jié)果

2.6.3耳座

由耳座Tresca應(yīng)力云圖13可知，耳座的等效當(dāng)量應(yīng)力最大值位于耳座底板與筋板不連續(xù)處，最大當(dāng)量應(yīng)力值為183.184 MPa，小于1.5φSm=1.5×1.0×137=205.5，強(qiáng)度條件SⅡ<1.5φSm，SⅣ<2.6Sm自動(dòng)滿足。

圖13 耳座Tresca應(yīng)力云圖

2.6.4長(zhǎng)圓形接管

由長(zhǎng)圓形接管Tresca應(yīng)力云圖14可知，長(zhǎng)圓形接管的等效當(dāng)量應(yīng)力最大值位于長(zhǎng)圓形接管圓弧段內(nèi)側(cè)處，最大當(dāng)量應(yīng)力值為347.045 MPa，應(yīng)力評(píng)定路徑SCL3應(yīng)力線性化結(jié)果分析見(jiàn)表4。

圖14 長(zhǎng)圓形接管Tresca應(yīng)力云圖及路徑SCL3

表4 路徑SCL3評(píng)定結(jié)果

2.6.5長(zhǎng)圓形法蘭

由長(zhǎng)圓形法蘭Tresca應(yīng)力云圖15可知，長(zhǎng)圓形法蘭的等效當(dāng)量應(yīng)力最大值位于長(zhǎng)圓形法蘭與筋板連接處，最大當(dāng)量應(yīng)力值為157.118 MPa，小于1.5φSm=1.5×1.0×122.6=183.9，強(qiáng)度條件SⅡ<1.5φSm，SⅣ<2.6Sm自動(dòng)滿足。

圖15 長(zhǎng)圓形法蘭Tresca應(yīng)力云圖

綜上所述，在設(shè)計(jì)工況下，低溫罐筒體、封頭、耳座、長(zhǎng)圓形接管及法蘭的強(qiáng)度評(píng)定合格。

3.3 設(shè)計(jì)工況法蘭剛度分析

本文對(duì)長(zhǎng)圓形法蘭進(jìn)行剛度分析，采用限制密封面泄漏路徑的偏轉(zhuǎn)角不大于0.6°進(jìn)行。根據(jù)低溫罐長(zhǎng)圓形法蘭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取5條典型密封面泄漏路徑，各路徑組成節(jié)點(diǎn)編號(hào)，節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)變形前的坐標(biāo)值以及節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)變形后產(chǎn)生的UX位移見(jiàn)表5。

由表5可知，所選取5條典型密封面泄漏路徑，其偏轉(zhuǎn)角均在0.6°限定值范圍內(nèi)，滿足法蘭密封要求。綜上所述，低溫罐設(shè)備在設(shè)計(jì)工況下，長(zhǎng)圓形法蘭剛度評(píng)定合格。

表5 泄露路徑偏轉(zhuǎn)角評(píng)定結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

該低溫罐的筒體、封頭、長(zhǎng)圓形法蘭、耳座在設(shè)計(jì)工況下經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析及強(qiáng)度評(píng)定后，可知強(qiáng)度是安全的，滿足JB4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))[5]的要求。該設(shè)備的此次應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果得到了多方認(rèn)可，故按照設(shè)計(jì)圖紙安裝制造，且已在使用期間平穩(wěn)安全運(yùn)行，由此可見(jiàn)，應(yīng)力分析模擬仿真設(shè)計(jì)方法在大型石化設(shè)備的設(shè)計(jì)制造中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有助于石化裝備往更大型化、更安全、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。建議在今后的設(shè)計(jì)中將有限元計(jì)算方法與應(yīng)力分析模擬仿真設(shè)計(jì)方法結(jié)合用于處理含有異形接管及法蘭的計(jì)算之中。