張君顏 苑光健 劉 陽 陶明俊 蔣文春

(中國石油大學(華東)化學工程學院)

反應(yīng)釜封頭部位大開孔接管應(yīng)力分析與強度校核

張君顏*苑光健 劉 陽 陶明俊 蔣文春

(中國石油大學(華東)化學工程學院)

采用有限元軟件ABAQUS建立某反應(yīng)釜封頭部位大開孔接管有限元模型進行應(yīng)力分析，并用線性分析法進行強度校核。結(jié)果表明：應(yīng)力最大值發(fā)生在接管與封頭外壁面相貫處；設(shè)計壓力條件下應(yīng)力均滿足強度要求。

反應(yīng)釜 封頭 應(yīng)力分析 強度校核

反應(yīng)釜用于物料甲酸二甲脂的合成反應(yīng)，其封頭承受一定的內(nèi)壓。根據(jù)實際生產(chǎn)工藝要求，需在封頭部位開一個超標接管孔。開孔結(jié)構(gòu)破壞了原有的應(yīng)力分布并引起應(yīng)力集中，使容器產(chǎn)生裂紋甚至爆炸[1,2]，且其理論應(yīng)力分析較為復雜。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，分析設(shè)計方法在結(jié)構(gòu)強度設(shè)計和校核中得到越來越多的應(yīng)用。吳和平等采用有限元法對熱壓機架進行應(yīng)力應(yīng)變計算和分析，提出了改善機架應(yīng)力狀態(tài)的措施[3]；文聯(lián)奎利用有限元法對催化裂化裝置中煙氣輪機入口管線的結(jié)構(gòu)、熱脹應(yīng)力和自重應(yīng)力進行了分析，指出該管系失效原因，并提出改進措施[4]。筆者采用有限元法，建立反應(yīng)釜封頭開孔接管模型，并對其進行應(yīng)力分析，重點校核封頭和接管連接部位的強度，評定封頭在使用狀況下的安全性。

1 有限元模擬

1.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

某反應(yīng)釜封頭是Ⅱ類壓力容器(圖1)，其最高工作壓力為0.28MPa，設(shè)計壓力為0.30MPa；工作溫度為85℃，設(shè)計溫度為100℃，介質(zhì)為甲酸二甲脂，主要受壓元件材料為Q345R。

該反應(yīng)釜采用標準橢圓封頭，其長軸內(nèi)徑為1 750mm，壁厚為16mm，直邊長度為41mm，接管軸線到橢圓長軸的距離為284.5mm，接管規(guī)格為φ273mm×7mm，材料的彈性模量為0.2GPa，泊松比為0.3。

圖1 反應(yīng)釜基本結(jié)構(gòu)示意圖

運用有限元軟件ABAQUS對封頭建立模型。因幾何參數(shù)和載荷邊界條件均為軸對稱，故可建立1/2模型進行計算，其網(wǎng)格劃分如圖2所示。接管與封頭連接部位劃分較密，遠離連接位置劃分較稀疏，共95 982個節(jié)點、387 382個單元。

圖2 封頭網(wǎng)格劃分

1.2載荷和邊界條件

對封頭和接管施加內(nèi)部均布載荷，其值為0.30MPa；對封頭和接管橫向施加x方向的對稱邊界條件；因封頭與筒體通過焊接連接，故對其底部施加固定邊界條件。

2 應(yīng)力分析

封頭接管區(qū)的應(yīng)力強度分布云圖如圖3所示。由圖3可知：由于接管和封頭連接部位的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，導致產(chǎn)生了較高的應(yīng)力集中，因此封頭接管區(qū)的應(yīng)力分布較為復雜；最大應(yīng)力出現(xiàn)在接管與封頭外壁面相貫處，其值為62.27MPa，但所有部位的應(yīng)力強度遠低于材料的許用應(yīng)力，因此結(jié)構(gòu)安全；另一處應(yīng)力強度較大值出現(xiàn)在接管與封頭內(nèi)壁面相貫處，其值為54.97MPa。

圖3 封頭接管區(qū)應(yīng)力強度分布云圖

3 強度校核

根據(jù)JB/T 4732-1995對接管與封頭連接部位進行強度校核。強度校核準則為：一次局部薄膜應(yīng)力PL≤1.5Sm；一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力PL+Pb≤1.5Sm；一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力PL+Pb+Q≤3Sm。一次總體薄膜應(yīng)力評定均合格，此處不另行校核。筆者對以下3條路徑進行了線性分析(圖4)：

a. 路徑1位于接管上。由于此路徑距離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處較近，因此評定準則為PL≤1.5Sm、PL+Pb+Q≤3Sm。

b. 路徑2位于接管與封頭相貫處，幾何不連續(xù)。封頭由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)會產(chǎn)生較高的二次應(yīng)力，因此評定準則為PL≤1.5Sm、PL+Pb+Q≤3Sm。

c. 路徑3位于封頭上。由于此路徑遠離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，因此評定準則為PL≤1.5Sm、PL+Pb≤1.5Sm。

圖4 路徑線性分析位置局部放大示例圖

在接管上，PL=51.00MPa<1.5Sm=205.50MPa，符合強度要求；PL+Pb+Q=51.60MPa<3Sm= 411.00MPa，符合強度要求。在接管與封頭相貫處，PL=56.10MPa<1.5Sm=205.50MPa，符合強度要求；PL+Pb+Q=56.30MPa<3Sm=411.00MPa，符合強度要求。在封頭上，PL=24.3MPa<1.5Sm=205.50MPa，符合強度要求；PL+Pb=24.60MPa <1.5Sm=205.50MPa，符合強度要求。

4 結(jié)束語

封頭與接管外壁面相貫處局部應(yīng)力最高，其值為62.27MPa，封頭與接管內(nèi)壁面相貫處局部應(yīng)力達54.97MPa，但均遠小于材料許用應(yīng)力，滿足使用要求。接管與封頭連接結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域強度校核均合格，滿足強度要求。

[1] 王志文，蔡仁良.化工容器設(shè)計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011：101.

[2] 淡勇，李俊菀，李會強.橢圓封頭水平接管部位應(yīng)力分析和加強效果研究[J].化工機械，2009，36(6)：570～574.

[3] 吳和平，于聚濱，林哲山.用有限元法對熱壓機機架的應(yīng)力分析[J].林業(yè)機械，1994，(3)：17～18.

[4] 文聯(lián)奎.有限元法在催化裂化煙氣輪機管線應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J].石油大學學報(自然科學版)，1995，19(3)：110～113．

StressAnalysisandStrengthVerificationofLargeOpeningNozzleonReactorHead

ZHANG Jun-yan, YUAN Guang-jian, LIU Yang, TAO Ming-jun, JIANG Wen-chun

(CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The finite element model of a large opening nozzle on a reactor’s head was established with ABAQUS software to implement the stress analysis. Having its strength assessed with linear analysis method shows that the maximum stress concentrates on the intersecting line between the nozzle and head, and the stress strength can be acceptable at the design pressure.

reactor, head, stress analysis, strength verification

*張君顏，女，1993年2月生，本科生。山東省青島市，266580。

TQ052.5

A

0254-6094(2015)01-0083-03

2014-04-11，

2015-01-15)