徐君臣 楊文庭 李利輝

（惠生工程（中國(guó)）有限公司 上海 201210）

加氫反應(yīng)器是石化領(lǐng)域中的核心設(shè)備，一般在高溫、高壓、臨氫條件下工作，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)提出了更高的要求。加氫反應(yīng)器底封頭與裙座連接處是典型的高應(yīng)力區(qū)，主要是由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的應(yīng)力集中和高溫條件下工作產(chǎn)生的較高熱應(yīng)力。加氫反應(yīng)器裙座為非受壓元件，其厚度一般按照NB/T 47041—2014《塔式容器》[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但裙座的計(jì)算厚度沒有考慮溫差產(chǎn)生的應(yīng)力。在裙座與底封頭連接部位的溫差較大，一般在裙座頂部設(shè)置由裙座、底封頭和弧形板構(gòu)成的隔熱箱來(lái)降低溫度梯度和溫差應(yīng)力。隔熱箱的區(qū)域內(nèi)無(wú)保溫層，反應(yīng)器封頭的熱量通過導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射方式傳到裙座筒體上。已有學(xué)者和工程人員對(duì)加氫反應(yīng)器裙座進(jìn)行了強(qiáng)度分析[2-6]，但大部分采用的是平面二維模型，且很少考慮熱箱輻射傳熱對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。當(dāng)裙座在風(fēng)載荷、地震載荷作用時(shí)，沿環(huán)向不同截面產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不一樣，且與溫差應(yīng)力相疊加，很難確定最大應(yīng)力所在的截面。因此，裙座在考慮溫度場(chǎng)，且承受風(fēng)載荷、地震載荷作用時(shí)，將其簡(jiǎn)化成平面二維模型很有可能出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。鑒于此，本文根據(jù)NB/T 47041—2014確定的裙座初始厚度，建立裙座的三維有限元模型，在內(nèi)壓、自重、風(fēng)載荷、地震載荷以及熱載荷作用下，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，并按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB 4732[7]進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。

圖1給出了裙座結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。該設(shè)備為錐形裙座，裙座與h型鍛件相連接。為了減小h型鍛件處的應(yīng)力集中，里面的倒角設(shè)置成20mm。在裙座處設(shè)置了熱箱來(lái)改善該區(qū)域的溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而降低溫差應(yīng)力。

圖1 裙座結(jié)構(gòu)示意圖

1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)條件

該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)壓力為18.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度為480℃，工作壓力為16.45MPa，工作溫度為447℃。該設(shè)備的主體材料為12Cr2Mo1VR，在不同溫度下材料性能參數(shù)見表1[8，9]。材料的抗拉強(qiáng)度Rm=590MPa，屈服強(qiáng)度ReL=415MPa，在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力Sm=157MPa[10]。

表1 材料物性參數(shù)

根據(jù)SW6軟件計(jì)算結(jié)果，筒體截面以上部分操作時(shí)質(zhì)量為2.584×106kg。根據(jù)設(shè)備形狀與地質(zhì)參數(shù)，按照NB/T 47041標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，計(jì)算出筒體截面處的風(fēng)彎矩為7.212×109N·mm，地震彎矩為8.365×1010N·mm，偏心載荷產(chǎn)生的彎矩為2.21×108N·mm。由于地震設(shè)防烈度低于8度，故無(wú)須考慮垂直地震力。按照NB/T 47041計(jì)算出筒體截面產(chǎn)生的最大彎矩為：

該彎矩在筒體端面產(chǎn)生的等效應(yīng)力為：

2 裙座有限元建模

機(jī)械應(yīng)力計(jì)算力學(xué)模型如圖2所示，裙座高度按照時(shí)間尺寸建立，其中與h型鍛件連接的筒體長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，遠(yuǎn)大于2.5倍的邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度。由于主要討論h型鍛件連接區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律，忽略下封頭開孔接管，筒體端部施加等效壓力P1模擬封閉筒體受力情況。

圖2 機(jī)械應(yīng)力計(jì)算力學(xué)模型

由于要對(duì)裙座的溫度場(chǎng)進(jìn)行精確的分析，所以在建模時(shí)建出保溫層材料。在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，要對(duì)筒體端面施加風(fēng)、地震以及偏心載荷產(chǎn)生的彎矩，故需要建出全模型，圖3為帶保溫層裙座的三維模型。為了保證求解的精度，進(jìn)行熱分析時(shí)采用Solid90單元，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，轉(zhuǎn)換成具有20節(jié)點(diǎn)的高階單元Solid186。模型中所有的體均采用6面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，不斷對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，直至求解的結(jié)果基本不變，圖4顯示了結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分。

圖3 帶保溫層裙座三維模型

圖4 裙座的網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行熱分析時(shí)，由于反應(yīng)器內(nèi)壁的溫度與介質(zhì)溫度幾乎一致，可以設(shè)置內(nèi)壁溫度為480 ℃，為邊界1，保溫層外壁與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)為12W/(m2·K)，為邊界2。反應(yīng)器與保溫層之間進(jìn)行導(dǎo)熱來(lái)傳遞熱量。熱箱處邊界條件的設(shè)置是溫度場(chǎng)計(jì)算的關(guān)鍵，計(jì)算結(jié)果表明在熱箱內(nèi)產(chǎn)生的輻射效應(yīng)對(duì)計(jì)算溫度場(chǎng)結(jié)果影響較大。在熱箱同時(shí)內(nèi)存在對(duì)流和輻射，但由于空間狹小很難形成對(duì)流，因此，忽略對(duì)流的影響，只考慮輻射傳熱問題，表面輻射率為0.5[11]，為邊界3。邊界4為絕熱邊界條件[12]。具體的熱邊界條件的設(shè)置如圖5所示。

圖5 機(jī)械應(yīng)力加熱應(yīng)力計(jì)算模型

在進(jìn)行熱—機(jī)械載荷耦合分析時(shí)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷，在筒體端面施加由內(nèi)壓與操作時(shí)重力產(chǎn)生的等效壓力，并在筒體端面上施加風(fēng)、地震以及偏心載荷產(chǎn)生的彎矩或等效應(yīng)力。約束條件為在裙座筒體的下端面施加全約束。機(jī)械應(yīng)力加熱應(yīng)力計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 載荷與邊界條件

3 結(jié)果與討論

圖7顯示了帶保溫層溫度場(chǎng)分布云圖。從圖中可以看出，正是由于熱箱的設(shè)置，使得裙座與下封頭連接處的溫度場(chǎng)分布較均勻，減小了溫差產(chǎn)生的應(yīng)力。在保溫層的外壁溫度較低，與環(huán)境溫度接近。

圖8，圖9，圖10分別給出了結(jié)構(gòu)在工況1與工況2載荷條件下產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度分布圖。從圖中可以看出，不考慮熱載荷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的等效應(yīng)力為197.26MPa，發(fā)生在h型鍛件的倒角處；采用直接施加彎矩與施加彎矩產(chǎn)生的等效應(yīng)力兩種方法計(jì)算的結(jié)構(gòu)總應(yīng)力值基本一致，分別為576.25M Pa，575.66M Pa；同時(shí)也說(shuō)明了，結(jié)構(gòu)在機(jī)械載荷作用下產(chǎn)生的總應(yīng)力值較?。划?dāng)考慮溫度場(chǎng)時(shí)，裙座處的溫差較大，產(chǎn)生了較大的二次溫差應(yīng)力。為了評(píng)定其應(yīng)力強(qiáng)度是否合格，需要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力線性化，而溫差應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，采用3倍許用應(yīng)力值進(jìn)行控制。

為了對(duì)裙座進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，在結(jié)構(gòu)上定義了3條路徑。路徑1在h型鍛件上，路徑2沿著球形封頭厚度方向，路徑3在h型鍛件與裙座筒體連接處。具體路徑位置如圖11所示。

圖7 溫度場(chǎng)分布云圖

圖8 工況1下裙座的等效應(yīng)力分布云圖

圖9 工況2下等效應(yīng)力分布云圖（直接施加彎矩）

圖10 工況2下等效應(yīng)力分布云圖（施加等效應(yīng)力）

圖11 定義路徑位置示意圖

表2給出了定義路徑上應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果。在JB/T 4732中給出若考慮地震與風(fēng)載荷，載荷組合系數(shù)K可取1.2，在這里K值仍取1.0，按照更嚴(yán)格的條件來(lái)控制。由于溫差應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，因此，工況2只評(píng)定一次加二次應(yīng)力。從表中可以看出，在工況1與工況2下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度均滿足要求；沿球形封頭厚度方向的路徑2在兩種工況下的應(yīng)力值基本一致，主要是由于沿球形封頭厚度方向的溫差較小，溫差接近2℃；路徑1與路徑3上線性化之后的二次應(yīng)力值較大，主要是由溫差應(yīng)力造成的；對(duì)比工況2下面的兩種方法求解的應(yīng)力線性化之后幾乎一致，這也說(shuō)明了兩種施加載荷方法的可靠性。由于本設(shè)備水壓試驗(yàn)時(shí)，任何點(diǎn)上的壓力（包括液柱靜壓力）不超過按JB 4732—1995(2005年確認(rèn))公式（3-2）求得的試驗(yàn)壓力的6%，故不對(duì)試驗(yàn)壓力工況進(jìn)行應(yīng)力分析。

表2 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

4 小結(jié)

1）采用APDL語(yǔ)言建立了裙座熱箱結(jié)構(gòu)的有限元模型，考慮輻射傳熱對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，并對(duì)其在不同工況下進(jìn)行了熱力耦合分析，為該類裙座結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)提供了一定參考依據(jù)。

2）對(duì)于工況1與工況2兩種設(shè)計(jì)條件得出溫度場(chǎng)產(chǎn)生的溫差應(yīng)力較大，熱箱結(jié)構(gòu)在一定程度上改善了裙座連接處的溫差，降低了溫差應(yīng)力。

3）對(duì)于工況2下兩種不同的施加載荷方法得出，施加風(fēng)、地震以及偏心載荷產(chǎn)生的彎矩或等效應(yīng)力計(jì)算的結(jié)構(gòu)總應(yīng)力和應(yīng)力線性化結(jié)果基本一致。直接施加彎矩需要建出全模型，而施加等效應(yīng)力只需要建出1/2模型，大大縮減了計(jì)算時(shí)間。