張彥軍，任建明

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)的機(jī)械應(yīng)力分析

張彥軍，任建明

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

加氫反應(yīng)器是石油產(chǎn)品加工的重要設(shè)備，由于其工作在高溫高壓的場(chǎng)合下，機(jī)械應(yīng)力很大，所以對(duì)其裙座支撐區(qū)的機(jī)械應(yīng)力分析就尤為重要，在設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)忽略。利用ANSYS軟件建立了加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力分析。

機(jī)械應(yīng)力； 有限元分析； 裙座支撐區(qū)； 線性應(yīng)力分析

加氫反應(yīng)器是石油產(chǎn)品加工的重要設(shè)備,其基本結(jié)構(gòu)如圖1，加氫反應(yīng)器由于壓力較高，一般為結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，并采用球形封頭。加氫煉制工藝一般為氫氣和原料油按照一定比例從頂端得管口進(jìn)入加氫反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)入口分配器均勻分布在反應(yīng)器的催化劑上，在催化劑床層中發(fā)生反應(yīng)，由于該反應(yīng)時(shí)放熱反應(yīng)，為了調(diào)節(jié)反應(yīng)器的溫度，從一側(cè)的冷氫管加入冷氫，冷氫與油氣在冷氫箱內(nèi)充分混合，以吸收反應(yīng)熱，避免反應(yīng)超高溫，加氫精煉制過(guò)程是分段進(jìn)行的，經(jīng)過(guò)多段催化反應(yīng)生成的成品油經(jīng)反應(yīng)器下端的出口收集器從出口管流出，底部的卸料管用于停工時(shí)卸料[1]。

加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)是其高應(yīng)力區(qū)之一，也是經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題的的區(qū)域，所以對(duì)其進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力分析是極其必要的。

1 加氫反應(yīng)器

1.1 加氫反應(yīng)器裙座h型鍛件

該部分上部連接筒體，下部連接封頭及裙座，h型鍛件厚度一般設(shè)計(jì)為3 mm，分別用于筒體、封頭及裙座，如圖2所示。

1.2 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)壓力P= 8.8 MPa；

設(shè)計(jì)溫度T= 347 ℃；

泊松比μ= 0.3；

材料2.25Cr-1Mo。

圖1 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Hydrogenation reactor structure diagram mode

2 有限元模型

2.1 有限元簡(jiǎn)介

本文采用由世界上最強(qiáng)大的有限元分析軟件開(kāi)發(fā)公司之一美國(guó) ANSYS公司研發(fā)的有限元分析軟件ANSYS 軟件進(jìn)行述職模擬分析。該軟件融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等于一體，ANSYS是一款通用性極強(qiáng)的分析軟件。早在 1995年的10 月份，經(jīng)全國(guó)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的研究和測(cè)試，認(rèn)定ANSYS軟件與壓力容器的分析和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，可以用于壓力容器分析設(shè)計(jì)以及改造。

2.2 模型簡(jiǎn)化

根據(jù)加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)h型鍛件的結(jié)構(gòu)建立如圖2所示，因?yàn)槠漭S對(duì)稱所以就采用軸對(duì)稱模型，其中與h型鍛件的筒體及裙座的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，遠(yuǎn)大于2.5倍的邊緣，由于主要討論h型鍛件連接區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律，忽略了下封頭的開(kāi)孔接管，截面尺寸如圖2所示，其中，筒體端部以面力P2模擬封閉筒體受力情況。

圖2 裙座支撐區(qū)應(yīng)力有限元計(jì)算模型Fig.2 Skirt area of sreee finite element

2.3 單元選擇和網(wǎng)格劃分[1]

在分析中采用structural Solid中的Quad 8node 82單元。網(wǎng)格劃分采用自由劃分原則，并且在局部進(jìn)行細(xì)化，是得結(jié)果更加精確，劃分為網(wǎng)格的模型如圖3。

圖3 模型的網(wǎng)格局部細(xì)化劃分圖Fig.3 Model grid refinement division figure

2.4 模型的位移邊界條件和載荷

根據(jù)該設(shè)備的結(jié)構(gòu)、載荷特性以及在總體坐標(biāo)下對(duì)模型邊界約束。在模型的另一半的交界面上加對(duì)稱約束位移x= 0。將設(shè)備底部限定在地面上，使得y方向的位移為0。

載荷由于該設(shè)備主要承受內(nèi)壓，所以在內(nèi)表面施加P的壓力。由于該設(shè)備還承受筒體上部的重力，所以在其端部施面力P1如圖4。

圖4 施加載荷條件模型Fig.4 Applied load conditions model

式中：P1—設(shè)備重力在筒體端部產(chǎn)生的應(yīng)力；

P2—內(nèi)壓引起的筒體端部軸向平衡面力。

公式中其它參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)數(shù)據(jù)Table 1 Each parameter physical quantities

3 有限元分析結(jié)果

由于加氫反應(yīng)器長(zhǎng)期在高溫高壓的臨氫環(huán)境中工作， 操作過(guò)程中的溫度和壓力的波動(dòng)，開(kāi)停工過(guò)程中壓力和溫度的變化等都會(huì)引起反應(yīng)器應(yīng)力循環(huán)疲勞、裂紋萌生和已存在缺陷的疲勞擴(kuò)展，給在役熱壁加氫反應(yīng)器的正常生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)力大，使裙座支撐區(qū)的應(yīng)力狀況進(jìn)一步惡化，設(shè)計(jì)時(shí)不容忽略，因此應(yīng)對(duì)加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力分析。

由應(yīng)力分析強(qiáng)度云圖5可知，最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在h形鍛件內(nèi)的上端部的內(nèi)側(cè)以及下端圓弧的內(nèi)側(cè)，以及其他一些可能的部位如過(guò)度圓角處。在這3個(gè)最大應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)，各取一條應(yīng)力評(píng)定路線進(jìn)行線處理，如圖6。

圖5 機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)度云圖Fig.5 Mechanical stress intensity image

圖6 應(yīng)力評(píng)定路徑Fig.6 Stress assessment Path

3.1 應(yīng)力線性化原理[8]

應(yīng)力線性化原理是內(nèi)嵌在ANSYS有限元分析軟件計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)后處理中，它首先要求沿壁厚拾取兩個(gè)端點(diǎn)作為路徑。軟件系統(tǒng)則在路徑上通過(guò)內(nèi)插法自動(dòng)生成47個(gè)插值點(diǎn)，并把計(jì)算結(jié)果映射到路徑上。然后運(yùn)用軟件內(nèi)置計(jì)算公式進(jìn)行應(yīng)力分類，取最大應(yīng)力位置的一條路徑。如圖7。在內(nèi)壓及其自重下，路徑上的薄膜應(yīng)力，薄膜加彎曲應(yīng)力可以視為一次加二次應(yīng)力，三條路徑上的應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2 加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)機(jī)械應(yīng)力評(píng)定路徑線處理結(jié)果Table 2 The results of hydognation reactor skirt support area of mec hanical stress path

圖7 路徑1-1應(yīng)力云圖Fig.7 1-1 cloud stress path

4 強(qiáng)度校核[9]

按照ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第二冊(cè)中AD-14O設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的規(guī)定，強(qiáng)度校核采用最大剪應(yīng)力理論，應(yīng)力強(qiáng)度規(guī)定為最大剪應(yīng)力的2倍,即

式中:S12=σ1﹣σ2;S23=σ2﹣σ3;S31=σ3﹣σ1

S—應(yīng)力強(qiáng)度;

σ1—第一主應(yīng)力;

σ2—第二主應(yīng)力;

σ3—第三主應(yīng)力。

根據(jù)ASME 鍋鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅶ卷第二冊(cè)強(qiáng)制性附錄4 ( 以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)) 中的規(guī)定：

（1）一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm應(yīng)不超過(guò)設(shè)計(jì)許用應(yīng)力強(qiáng)度值Sm，即Pm≤Sm。

（2）一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度許用極限PL為1.5Sm，即PL≤1. 5Sm。

（3）一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度PL+Pb的許用極限為1.5Sm，即：PL+Pb≤1.5Sm。

（4）一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力及二次應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度PL+Pb+Q的許用極限為3Sm，即：PL+Pb+Q≤3Sm。

其中Sm為許用應(yīng)力。

根據(jù)上述規(guī)定，可對(duì)本分析中的最大應(yīng)力經(jīng)行強(qiáng)度校核，(Sm=157 MPa)見(jiàn)表3。

表3 最大應(yīng)力點(diǎn)強(qiáng)度校核Table 3 The strength check of maximum stress Point

從表3 可見(jiàn)，強(qiáng)度校核評(píng)定結(jié)果均屬安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1) 本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)進(jìn)行了和應(yīng)力分析，并根據(jù)應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法，采用ASME 第Ⅶ卷第二冊(cè)的規(guī)范對(duì)其危險(xiǎn)截面進(jìn)行了強(qiáng)度校核，認(rèn)為該加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)在正常操作運(yùn)行過(guò)程中是安全的。

(2)裙座壁厚對(duì)加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)最大當(dāng)量應(yīng)力存在于筒體和圓形封頭處，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在工藝、制造及條件允許的情況下，應(yīng)該盡量增加裙座壁厚。

(3)有限元分析計(jì)算提供了可靠而豐富的各種應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)應(yīng)用起來(lái)很方便。

(4)同時(shí)也要就我們充分了解復(fù)雜應(yīng)力的分布，以及對(duì)一些知識(shí)的掌握才能正確地運(yùn)用這個(gè)軟件，才能真正的發(fā)揮出其獨(dú)特的優(yōu)越性。

［1］陳洪軍，王呼佳.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006:110-235.

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Mechanical Stress Analysis of Hydrogenation Reactor Skirt Support Area

ZHANG Yan-jun,REN Jian-ming
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The hydrogenation reactor is a kind of important equipment for production of petroleum products. Because the hydrogenation reactor works under high temperature and high pressure condition, and it has high mechanical stress, mechanical stress analysis of skirt support area is more significant and shouldn’t be ignored during the design. In this paper, the finite element model of the hydrogenation reactor skirt support area was established by using ANSYS software, and its mechanical stress was analyzed.

Mechanical stress ; Finite element analysis ; Skirt a support area ; Linear stress analysis

TQ 050.1

A

1671-0460（2011）11-1152-04

2011-09-15

張彥軍（1985-），男，內(nèi)蒙古烏海，碩士，2009年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，流體密封：流體密封。E-mail：422078094@qq.com。