王建強(qiáng)

(1.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100076；2.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

隨著百萬(wàn)噸級(jí)乙烯裝置的出現(xiàn)，與之相適應(yīng)的大型裂解爐技術(shù)也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，裂解氣閥主要應(yīng)用于裂解爐裝置中，是裂解工藝的核心設(shè)備之一，其安裝在裂解爐出口，控制裂解爐和下游設(shè)備的通斷。閥體作為裂解氣閥的重要承載基體，其性能穩(wěn)定、安全，是確保裂解氣閥正常運(yùn)行的前提。由于裂解氣閥閥體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要基于AWE協(xié)同優(yōu)化分析平臺(tái)進(jìn)行閥體結(jié)構(gòu)分析，以?xún)?yōu)化閥體結(jié)構(gòu)性能。筆者結(jié)合鎮(zhèn)海煉化項(xiàng)目10 號(hào)爐48寸裂解氣閥的實(shí)際使用工況(閥腔溫度343 ℃，壓力0.5 MPa(g)，流道溫度208 ℃，壓力0.36 MPa(g))，首先對(duì)米字形閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以閥體集中應(yīng)力處的最大等效應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)[1]，結(jié)合閥體壁厚、筋板厚度和筋板位置等參數(shù)進(jìn)行有限元優(yōu)化分析設(shè)計(jì)，得到米字形閥體最優(yōu)化結(jié)果；然后采用相同的優(yōu)化分析方法，對(duì)井字形閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元優(yōu)化計(jì)算得到井字形閥體最優(yōu)化結(jié)果；對(duì)比井字形閥體和米字形閥體的等效應(yīng)力分布情況，優(yōu)化分析兩種閥體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。

1 閥體材料性能

閥體材料為15CrMo，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 閥體材料參數(shù)

2 閥體結(jié)構(gòu)模型

閥體模型在ANSYS Workbench中建立。由于裂解氣閥為多零件結(jié)構(gòu)，閥體上有涉及與其他零件對(duì)接的結(jié)構(gòu)，在不對(duì)閥體應(yīng)力有較大影響的前提下對(duì)閥體進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，米字形和井字形閥體模型見(jiàn)圖1。

圖1 裂解氣閥閥體模型

3 閥體溫度場(chǎng)計(jì)算

裂解氣閥內(nèi)工作介質(zhì)為高溫氣體，在運(yùn)行工況下閥腔內(nèi)部充滿(mǎn)高溫工作介質(zhì)，熱量通過(guò)對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)向外傳遞，閥內(nèi)介質(zhì)與閥體間對(duì)流換熱系數(shù)為40 W/(m2·℃)，閥體與外部大氣間換熱系數(shù)為7.42 W/(m2·℃)，按工作工況對(duì)閥體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，米字形閥體和井字形閥體的溫度分布見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 米字型閥體溫度分布

圖3 井字形閥體溫度分布

結(jié)果顯示，米字形閥體和井字形閥體的最高溫度點(diǎn)位于閥腔內(nèi)壁，最低溫度點(diǎn)位于筋板與法蘭的連接處。

4 閥體邊界條件和載荷

裂解氣閥在線(xiàn)運(yùn)行時(shí)管線(xiàn)內(nèi)壓為0.36 MPa(g)，閥腔內(nèi)壓為0.5 MPa(g)，管線(xiàn)對(duì)閥門(mén)法蘭的作用載荷見(jiàn)表2，閥門(mén)的出口法蘭端面施加固定約束，忽略中法蘭螺栓預(yù)緊力和閥體自重。米字形閥體和井字形閥體載荷見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 米字形閥體載荷情況

圖5 井字形閥體載荷情況

表2 法蘭上的管道載荷

5 米字形閥體強(qiáng)度的有限元分析

本文進(jìn)行米字形閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得到米字形閥體等效應(yīng)力最小化的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)研究米字形閥體結(jié)構(gòu)和井字形閥體結(jié)構(gòu)在相同材料、相同工藝參數(shù)和面心距尺寸條件下，兩種閥體各自在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)應(yīng)力分布效果，首先將基于米字形閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.1 米字形閥體優(yōu)化分析計(jì)算結(jié)果

按照第四強(qiáng)度理論求得米字形閥體等效應(yīng)力(見(jiàn)圖6)，閥體最大等效應(yīng)力為190.49 MPa，最大等效應(yīng)力接近于閥體材料設(shè)計(jì)條件下的屈服強(qiáng)度范圍。由于進(jìn)出口法蘭與筋板的相貫位置壁厚和形狀都有突變，因此在該位置會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中問(wèn)題[2]。為提高閥門(mén)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，有必要對(duì)閥體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改善閥體應(yīng)力集中情況。

圖6 閥體等效應(yīng)力分布云圖

5.2 米字形閥體優(yōu)化分析

5.2.1影響閥體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的參數(shù)

閥體結(jié)構(gòu)和筋板結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)分布，因此取1/4閥體的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，影響閥體應(yīng)力分布的優(yōu)化輸入?yún)?shù)見(jiàn)表3，閥體優(yōu)化輸出參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 閥體優(yōu)化輸入?yún)?shù)

續(xù)表

表4 閥體優(yōu)化輸出參數(shù)

5.2.2閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了改善閥體的應(yīng)力集中問(wèn)題，文中以閥體應(yīng)力集中處的最大等效應(yīng)力值實(shí)現(xiàn)最小化為優(yōu)化目標(biāo)[3]，以影響閥體應(yīng)力分布的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)輸入變量，對(duì)閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)靈敏度分析。通過(guò)對(duì)閥體進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到設(shè)計(jì)輸入變量的靈敏度響應(yīng)(見(jiàn)圖7)。由靈敏度分析圖可知，閥體的P13、P16、P12對(duì)整個(gè)閥體應(yīng)力的靈敏度影響較大，P13對(duì)閥體重量的靈敏度影響較大。

圖7 靈敏度響應(yīng)圖

(2)參數(shù)對(duì)等效應(yīng)力的影響。在優(yōu)化模塊中得出響應(yīng)曲線(xiàn)圖，其中閥體頂壁厚P10對(duì)閥體等效應(yīng)力的影響見(jiàn)圖8，隨著閥體頂壁厚P10的增加，等效應(yīng)力呈先減小后增大趨勢(shì)，在閥體頂壁厚為52.5 mm時(shí)等效應(yīng)力值達(dá)到最小；閥體側(cè)壁厚P11對(duì)閥體等效應(yīng)力的影響見(jiàn)圖9，隨著閥體側(cè)壁厚P11的增加，等效應(yīng)力呈減小先減小后增大的趨勢(shì)，在閥體側(cè)壁厚為50 mm時(shí)等效應(yīng)力值達(dá)到最?。唤畎?位置P12對(duì)閥體等效應(yīng)力的影響見(jiàn)圖10，當(dāng)P12為37.6°時(shí)閥體等效應(yīng)力最小，偏離這個(gè)值時(shí)等效應(yīng)力上升很快；筋板2厚度P13對(duì)閥體等效應(yīng)力的影響見(jiàn)圖11，隨著筋板2厚度P13的增加，閥體等效應(yīng)力快速降低，當(dāng)P13為56.25 mm時(shí)閥體等效應(yīng)力最小，當(dāng)筋板2厚度繼續(xù)增加，閥體等效應(yīng)力隨之增大，但增大的程度較??；參數(shù)P14、P15、P16、P17的響應(yīng)圖類(lèi)似P10的分布規(guī)律，閥體等效應(yīng)力呈現(xiàn)隨參數(shù)增加先減小后增大的趨勢(shì)。

圖8 P10對(duì)閥體等效應(yīng)力影響

圖9 P11對(duì)閥體等效應(yīng)力影響

圖10 P12對(duì)閥體等效應(yīng)力影響

圖11 P13對(duì)閥體等效應(yīng)力影響

圖12 P10和P11應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析

圖13 P14和P17應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析

(3)優(yōu)化結(jié)果及分析。輸入變量P10和P11應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析見(jiàn)圖12，閥門(mén)的最大應(yīng)力由216 MPa降到188 MPa，降低了13%；輸入變量為P14和P17應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析見(jiàn)圖13，閥門(mén)的最大應(yīng)力由213 MPa降到189 MPa，降低了11.3%；其他的幾個(gè)變量應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間結(jié)果為：輸入變量為P12和P13的最大應(yīng)力降低24%；輸入變量為P15和P16的最大應(yīng)力降低19.1%。

經(jīng)過(guò)有限元優(yōu)化程序?qū)τ绊戦y體強(qiáng)度8個(gè)優(yōu)化參數(shù)的分析，得到了閥體結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的參數(shù)，閥體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 米字形閥體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后結(jié)果

按照表5對(duì)閥體模型進(jìn)行改進(jìn)，閥體材料、約束、載荷、網(wǎng)格劃分設(shè)定與改進(jìn)前相同，改進(jìn)后更新了網(wǎng)格劃分結(jié)果和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，改進(jìn)后應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖14，改進(jìn)后閥體的等效應(yīng)力最大值仍然在法蘭與筋板相貫位置，但是最大應(yīng)力減小為180.39 MPa，優(yōu)化使最大等效應(yīng)力減小了5.3%，改善了閥體的強(qiáng)度，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖14 米字形閥體優(yōu)化后等效應(yīng)力云圖

6 井字形閥體強(qiáng)度的有限元分析

按照米字形閥體相同的優(yōu)化方法對(duì)井字形閥體進(jìn)行了有限元優(yōu)化分析，井字形閥體與米字形閥體的材料、工藝參數(shù)、閥體面心尺寸與米字形閥體相同，優(yōu)化過(guò)程中的數(shù)據(jù)分析不再詳述，下文中給出了優(yōu)化過(guò)程中的重要參數(shù)和結(jié)果。

(1)井字形閥體對(duì)應(yīng)力分布有影響主要參數(shù)見(jiàn)圖15，以此作為優(yōu)化設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，優(yōu)化前閥體等效應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖16。

圖15 井字形閥體參數(shù)

圖16 井字形優(yōu)化前閥體等效應(yīng)力分布情況

(2)井字形閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 井字形閥體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

井字形閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后等效應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖17，改進(jìn)后閥體的等效應(yīng)力最大值同樣在閥體與筋板相貫位置，但是最大應(yīng)力降至125 MPa，比優(yōu)化前最大等效應(yīng)力減小了39%，保證了閥體的強(qiáng)度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件要求。

7 米字形閥體與井字形閥體對(duì)比分析

在米字形閥體和井字形閥體的材料、工藝參數(shù)和法蘭面心距尺寸相同的條件下，對(duì)比優(yōu)化后閥體等效應(yīng)力最大值和等效應(yīng)力分布情況，從圖14和

圖17對(duì)比可以看出，兩種閥體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力最大值位置都是進(jìn)出口法蘭與筋板的相貫位置，此處由于法蘭和筋板的壁厚、形狀都發(fā)生突變，因此出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中問(wèn)題；井字形閥體結(jié)構(gòu)能達(dá)到的等效應(yīng)力最大值為125.1 MPa，比米字形閥體等效應(yīng)力最大值180.39 MPa低30.7%；井字形閥體結(jié)構(gòu)比較應(yīng)力分布相對(duì)米字形閥體結(jié)構(gòu)更為均勻，閥體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更好。

圖17 優(yōu)化后閥體等效應(yīng)力分布情況

8 結(jié)語(yǔ)

(1)本文利用 Workbench 的響應(yīng)面優(yōu)化方法以米字形閥體的8個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的閥體強(qiáng)度得到了提升，最大等效應(yīng)力降低了5.3%，閥體性能有效提升。

(2)利用 Workbench 的響應(yīng)面優(yōu)化方法以井字形閥體的9個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的閥體應(yīng)力集中處最大等效應(yīng)力降低了39%。相較于米字形閥體，井字形閥體的等效應(yīng)力分布更加均勻，井字形閥體等效應(yīng)力最大值比米字形閥體低了30.7%，在相同條件下，井字形閥體的強(qiáng)度性能更好。