大型攪拌反應器封頭頂部結構優化設計

王 勇* 牟肇章

（1.中國特種設備檢測研究院 2.華東理工大學 機械與動力工程動學院）

0 引言

攪拌式反應器結構靈活、操作方式多樣，在生物、化工、醫藥、食品等領域被廣泛應用[1-2]。為了裝設電機，通常會在攪拌式反應器封頭頂部設置一個攪拌法蘭。由于電機工作時會產生振動，再加上電機自身的質量，攪拌法蘭會發生支撐面偏轉。設備尺寸較小時，電機的質量和轉矩也都較小，攪拌法蘭的支撐面偏轉一般不會超出允許值。隨著工業生產逐步升級，設備不斷向大型化發展，攪拌式反應器規格尺寸越來越大，電機也隨之增大，此時攪拌法蘭的支撐面偏轉量也隨之增大，當設備封頭剛性不足時攪拌法蘭的支撐面偏轉量很容易超出其允許的偏轉量。但對這一問題的解決方法和措施，目前還未發現有相關文獻進行公開的報道[3-4]。

某年產250 萬t 精對苯二甲酸（PTA）裝置中的氧化反應器，公稱直徑為DN10 500 mm，攪拌法蘭支撐面的允許最大偏轉量為±0.04°，設備頂部標準橢圓形封頭上的攪拌法蘭在加裝了電機后出現了支撐面偏轉量過大的現象。針對這一問題，本文提出了在封頭頂部設置筋板的技術方案，并建立了有限元計算模型，通過計算分析得到了筋板的最優結構參數，滿足了攪拌法蘭的設計要求。

1 設計參數及封頭結構

1.1 封頭結構

該氧化反應器的標準橢圓形封頭上有接管N1-a、接管N1-b、接管N2、凸緣和攪拌法蘭組成。封頭結構尺寸如圖1 所示，接管尺寸如表1 所示。

表1 接管尺寸

圖1 結構示意圖（單位：mm）

1.2 設計參數

該設備的設計壓力為1.5 MPa，設計溫度為150℃，封頭材料為Q345R，接管、攪拌法蘭及凸緣均采用16Mn鍛件。所使用材料在設計溫度下的的彈性模量為1.86×105MPa，泊松比為0.3，根據GB/T 150—2011《壓力容器》標準，材料的屈服強度和許用應力可見表2。

表2 材料設計溫度下的強度指標

接管載荷根據設計方要求，加載形式如圖2 所示，具體數值如表3 所示。

表3 接管載荷

2 攪拌法蘭支撐面偏轉分析計算

2.1 結構力學模型

本節通過ANSYS Workbench 軟件對封頭結構進行數值模擬計算，首先需要建立計算模型，之后對模型進行網格劃分、邊界條件設置和分析計算[3]。取氧化反應器的部分筒體（2 500 mm）、封頭、凸緣、攪拌法蘭、接管 N1-a、接管 N1-b、接管 N2 等作為有限元計算模型，在該模型基礎上進行應力分析[4]。

圖3 給出了分析結構劃分單元網格后的有限元模型。單元類型為 SOLID186，采用 20 結點單元，有限元模型合計單元數為217 967，節點數為1 083 176。

圖3 有限元網格劃分

邊界條件設置為在筒體段底部施加固定約束。封頭內部施加設計壓力pd=1.5 MPa，各個接管及攪拌法蘭載荷按表3 中的值來施加。

2.2 計算結果及分析

封頭結構整體應力情況如圖4 所示。

圖4 整體應力云圖

由圖4 可知，封頭結構中應力最大點在接管N2與封頭連接處，其最大值為217.95 MPa，大于材料的許用應力強度Sm=167 MPa，因此需進行線性化分析評定，根據標準JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》（2005 年確認），評定結果可見表4。

表4 線性化評定結果

攪拌法蘭變形結果如圖5 所示。

圖5 攪拌法蘭變形結果云圖

由圖5 可知，攪拌法蘭面上的最大位移差為：7.07 025-5.780 4≈1.29 mm，法蘭外徑Do=2 580 mm，則計算支撐面偏轉量為：

θ= arcsin（1.29÷2 580）=0.053 °

而本氧化反應器的攪拌法蘭支撐面的允許最大偏轉量為±0.04°，該法蘭支撐面的偏轉量不符合設計要求。

出現該結果的原因是該氧化反應器封頭的尺寸非常大，且裝配的電機質量也大，封頭剛度不足，導致封頭出現較大變形，法蘭的偏轉量也隨之變大。

3 筋板設計

為了滿足攪拌法蘭偏轉量的設計要求，采用設置筋板來提高封頭的剛度，從而降低攪拌法蘭的偏轉量。同時為了使筋板結構設計更合理，利用ANSYS Workbench 軟件進行參數化建模[5]，通過調整筋板的高度和長度改變封頭筋板結構，找出最大應力與筋板高度、長度之間的變化規律，從而得到較優化的筋板結構尺寸。

3.1 結構參數化

ANSYS Workbench 軟件提供的Design Exploration模塊為結構優化設計提供了方便，已在工程分析中獲得了廣泛應用[6]。使用Design Exploration 提供的優化設計功能可以進行設計參數在一定范圍內變化時結構的響應分析。在Design Model 中將筋板的高度和長度相關參數設置為輸入參數。由計算可得加入筋板后的最大應力在筋板端部與封頭連接處，故將此處的最大應力設置為輸出參數。

3.2 筋板高度和長度參數分析

設置筋板高度長度系列如表5 所示。

表5 筋板的高度長度參數

計算結果即筋板高度、長度與最大應力的關系分別如圖6 和圖7 所示。

圖7 筋板長度與最大應力的關系

從圖6 可以看出，筋板高度越低，最大應力值就越小。這是因為筋板高度越低，筋板端部變形協調量越小，此處應力也越小。由此可知，在設計中應盡量減小筋板高度，但當筋板高度過低時，會給制造帶來一定的困難，所以筋板高度宜控制在95 mm。

從圖7 可以看出，筋板長度越長，最大應力先增大后減小，之后趨于平緩，應力最大點在筋板長度為1 175 mm 時。原因是接管N8(a、b)直徑較大，所在處開孔也較大，導致此處幾何變化較大，變形協調導致筋板的端部應力也會很大。因為越靠近接管N1(a、b)中央位置，變形協調也越大，筋板端部應力也越大。因此本設計中將筋板長度選取1 975 mm。

3.3 應力及法蘭偏轉量計算

根據上節確定的筋板最優高度和長度，筋板的結構設計如圖8 所示。

圖8 筋板設計尺寸及分布（單位：mm）

對設置筋板的封頭結構重新進行應力計算及法蘭偏轉計算。邊界條件設置和載荷施加仍按照2.1 節中的條件。加入筋板后的封頭結構應力分布情況如圖9 所示。

圖9 加入筋板后的封頭結構的應力云圖

由圖9 可知可知，封頭結構應力最大點在筋板與攪拌法蘭連接處，最大值為387.7 MPa，大于Sm=167 MPa，需進行線性化分析，其結果可見表6。

表6 線性化評定

加入筋板后的攪拌法蘭支撐偏轉量如圖10 所示。

圖10 加入筋板后支撐偏轉

由圖10 可知，攪拌法蘭面最大位移差為5.091 8-4.938 8 = 0.153 mm，則計算法蘭支撐面偏轉量為：θ= arcsin（0.153÷2 580）= 0.003°<0.04°。

該法蘭支撐面的偏轉量符合設計要求，封頭頂部加設筋板對改善攪拌法蘭支撐面偏轉量有很好的效果。

4 結論

（1）采用有限元方法對PTA 氧化反應器頂部封頭攪拌法蘭的剛度進行了計算，發現氧化反應器攪拌法蘭的支撐偏轉量過大，其原因是該氧化反應器封頭尺寸大，封頭剛度不足。提出了封頭上設置筋板的方法提高封頭的剛度，以滿足攪拌法蘭的偏轉量要求。

（2）對筋板的高度和長度的變化進行參數化建模，得到了筋板高度和長度與最大應力的規律。筋板高度越低，最大應力越小。筋板的長度變大，最大應力則先增大后逐漸減小，當長度達到某一數值時最大應力趨于平穩。

（3）筋板結構尺寸優化的結果是高度為95 mm，長度為1 975 mm。