徐君臣

(惠生工程(中國)有限公司，上海 201210)

0 引言

隨著新工藝流程的開發(fā)，反應(yīng)所需要的介質(zhì)溫度越來越高，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高要求。當(dāng)遇到反應(yīng)溫度較高時，一般在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置耐火襯里，并在耐火襯里表面增加一層較薄的保護(hù)金屬襯里[1-6]。該金屬襯里可以阻止高溫氣體直接對耐火襯里的接觸與沖刷，即便耐火襯里發(fā)生較小破壞，高溫反應(yīng)氣體也不會直接通過破壞區(qū)域與反應(yīng)器殼體接觸，所以金屬襯里在反應(yīng)器隔熱系統(tǒng)設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。但是金屬襯里的設(shè)置也會帶來新的問題，例如：金屬襯里的線膨脹系數(shù)大，在耐火襯里和金屬襯里之間需要留有足夠的空間來供金屬襯里的膨脹；金屬襯里在軸向方向也會熱膨脹，需要在軸向設(shè)置膨脹縫；金屬襯里需要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)等[7-11]。

針對以上問題，本文提出一種雙金屬密封錐結(jié)構(gòu)，其與反應(yīng)器殼體和金屬襯里連接形式如圖1所示。該密封錐結(jié)構(gòu)首先起著支撐金屬襯里結(jié)構(gòu)的作用；其次，密封錐結(jié)構(gòu)將金屬襯里與耐火襯里之間的徑向膨脹縫劃分為幾個相互隔離的密閉的空間，阻止高速熱氣體在該區(qū)域內(nèi)流動，進(jìn)而提高隔熱可靠性，防止形成上下貫通的流動氣流造成沖刷及惡化耐火襯里的隔熱效果。

(a) (b)

圖1 反應(yīng)器耐火襯里系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖1(a)為反應(yīng)器中間段金屬襯里與密封錐連接結(jié)構(gòu)，襯里連接區(qū)域設(shè)置了新型的軸向膨脹縫，滿足了下面的金屬襯里軸向熱膨脹要求。由于反應(yīng)器里面氣流速度高，該膨脹縫內(nèi)外均采用密封擋板，能有效地降低氣流速度和阻止氣流進(jìn)入金屬襯里與澆注料之間的膨脹空間，防止反應(yīng)器殼體超溫現(xiàn)象的產(chǎn)生；圖1(b)為反應(yīng)器最下面金屬襯里與密封錐連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不設(shè)置膨脹縫，以密封錐連接點為固定點，金屬襯里一端向上膨脹，另一端向下膨脹。結(jié)構(gòu)的耐火襯里采用輕質(zhì)澆注料，為了防止密封錐與金屬襯里受熱膨脹壓碎澆注料，在密封錐的正面尖角處采用派羅塊結(jié)構(gòu)，以解決尖角區(qū)域澆注料受壓容易碎裂的問題。派羅塊為陶瓷纖維塊的升級產(chǎn)品，能很好地適應(yīng)形狀不規(guī)則區(qū)域，易于向各個方向壓縮，表面受熱后變硬，使得強(qiáng)度提高，從而提高抗氣流沖刷能力；在密封錐背面采用塑料包裹的陶瓷纖維毯，適應(yīng)密封錐的熱變形，減小密封錐對澆注料的壓縮。

由于在高溫作用下，金屬襯里徑向膨脹量較大，密封錐及其連接件需要滿足金屬襯里高溫膨脹變形的需要，首先對其溫度場進(jìn)行了模擬，其次進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合場分析，并研究不同密封錐角度和厚度對應(yīng)力分布的影響，獲得滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求的最佳密封錐結(jié)構(gòu)參數(shù)，以期為此類高溫反應(yīng)器耐火襯里結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一定參考依據(jù)。

1 設(shè)計條件與有限元建模

1.1 設(shè)計條件

反應(yīng)器的設(shè)計基本參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計條件

反應(yīng)器進(jìn)入的高溫管線溫度為705 ℃，通過在反應(yīng)器殼體內(nèi)壁設(shè)置耐火襯里系統(tǒng)，殼體設(shè)計溫度為400 ℃，材料為SA-515 Gr.60。密封錐與金屬襯里連接材料為310S，由于間歇性操作，其設(shè)計溫度為668 ℃，通過控制其最小碳含量為0.04%來提高其抗高溫性能。密封錐與反應(yīng)器殼體連接采用相近材料SA-516 Gr.70。

密封錐結(jié)構(gòu)如圖2所示。密封錐厚度t與密封錐角度θ為待定值，需要通過有限元建模計算來確定出最佳取值。由于密封錐長期在高溫下工作，密封錐結(jié)構(gòu)、金屬襯里和反應(yīng)器殼體之間存在熱膨脹與變形協(xié)調(diào)問題，在對密封錐進(jìn)行設(shè)計時，要盡量使其能夠自由變形，減小熱膨脹產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。密封錐結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念是要使其與金屬襯里有相當(dāng)?shù)膭偠?，能更好地進(jìn)行變形協(xié)調(diào)，降低應(yīng)力，但其也要有足夠的強(qiáng)度，能夠支撐金屬襯里自重。例如：密封錐下端距密封檔板的端部距離為35 mm，該值是通過有限元反復(fù)計算確定。該距離較短能夠降低密封檔板與密封錐下端連接區(qū)域的剛性，更容易變形協(xié)調(diào)，降低了密封錐與密封檔板連接處的應(yīng)力。

圖2 密封錐結(jié)構(gòu)尺寸示意

表2和表3分別示出了碳鋼與不銹鋼材料在不同溫度下的性能參數(shù)。耐火襯里為輕質(zhì)澆注料，該材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.4 W/(m·℃)。表4示出了不同材料在不同溫度下的許用應(yīng)力值，所有值均從ASMEⅡ-D標(biāo)準(zhǔn)中查得[8]。

表2 材料SA-515 Gr.60與SA-516 Gr.70在不同溫度下的性能參數(shù)

表3 材料310S在不同溫度下的性能參數(shù)

表4 不同材料在不同溫度下許用應(yīng)力值

1.2 有限元建模

考慮到結(jié)構(gòu)與載荷的對稱性，將該模型簡化成二維平面模型。有限元建模時考慮反應(yīng)器殼體3 mm腐蝕余量，金屬襯里和密封錐腐蝕余量為0。在進(jìn)行溫度場求解時，采用Plane77單元，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元為Plane82單元。劃分網(wǎng)格時盡量采用四面體網(wǎng)格，密封錐結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖3所示[13-15]。

圖3 密封錐結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分(未包含澆注料)

2 溫度場求解

對于高溫結(jié)構(gòu)，溫度場的求解結(jié)果對應(yīng)力場求解結(jié)果影響非常大。對于金屬襯里結(jié)構(gòu)，其內(nèi)表面直接與高溫空氣接觸，設(shè)置其內(nèi)表面溫度為705 ℃，這樣可以準(zhǔn)確模擬其熱膨脹產(chǎn)生的徑向位移；輕質(zhì)澆注料內(nèi)表面溫度主要是通過金屬襯里輻射來進(jìn)行熱量傳遞的，通過專業(yè)軟件SIMU-THERM 7.0計算，澆注料內(nèi)表面溫度為683 ℃；反應(yīng)器殼體外壁與空氣進(jìn)行對流換熱，按照冬天的環(huán)境溫度10 ℃考慮，等效對流換熱系數(shù)為6.87 W/(m2·℃)，這樣計算的結(jié)果偏安全。

圖4示出結(jié)構(gòu)溫度場求解結(jié)果，左側(cè)溫度場云圖為帶澆注料，右側(cè)溫度場云圖為不帶澆注料。可以看出，最高溫度為705 ℃，發(fā)生在金屬襯里上；最低溫度為234.5 ℃，發(fā)生在反應(yīng)器殼體外壁。圖5示出沿密封錐X方向坐標(biāo)溫度分布曲線，密封錐熱端最高溫度為702.6 ℃，密封錐冷端最低溫度為255.4 ℃，溫差相差較大。

圖5 密封錐溫度分布曲線

3 應(yīng)力場求解結(jié)果與強(qiáng)度評定

在進(jìn)行應(yīng)力場求解時，首先將求解的溫度場結(jié)果導(dǎo)入，然后再進(jìn)行載荷條件的施加。載荷條件：在反應(yīng)器殼體內(nèi)壁施加均布壓力0.276 MPa；在反應(yīng)器殼體上端面施加均布拉應(yīng)力Pe=4.60 MPa；由于金屬襯里不是承壓件，故不需要施加壓力；施加重力加速度，考慮金屬襯里自重對密封錐結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。位移邊界條件：設(shè)置模型為軸對稱模型，在反應(yīng)器殼體下端面施加Y方向約束，詳細(xì)載荷與邊界條件如圖6所示。

圖6 載荷與邊界條件

為了改善密封錐結(jié)構(gòu)的受力，減小其應(yīng)力，分別研究了密封錐角度和密封錐厚度對應(yīng)力值的影響。圖7和圖8分別示出了在不同角度和不同厚度的密封錐結(jié)構(gòu)下，靠近金屬襯里熱端和靠近反應(yīng)器殼體冷端的最大等效應(yīng)力值。密封錐角度的取值分別為45°，40°，35°，30°，25°；密封錐厚度的取值分別為6，5，4 mm。從圖7和圖8中可以看出，在密封錐相同壁厚條件下，密封錐角度越小，應(yīng)力值也越小。但密封錐角度太小，不便于耐火襯里的制造，綜合考慮熱端與冷端應(yīng)力值，取密封錐角度25°。在相同的角度下，密封錐壁厚越薄，應(yīng)力值也越小，因此取密封錐的厚度為4 mm。對比熱端和冷端密封錐最大等效應(yīng)力可知，熱端連接處變形能力強(qiáng)，最大應(yīng)力值小，而冷端連接處反應(yīng)器殼體壁厚剛性較強(qiáng)，在密封錐冷端處產(chǎn)生的應(yīng)力值較大。對于冷端密封錐最大等效應(yīng)力整體值偏大，主要是因為最大等效應(yīng)力值點從密封錐碳鋼材料變厚度處轉(zhuǎn)移到了其與反應(yīng)器殼體連接焊縫處，該處產(chǎn)生了較大的二次彎曲應(yīng)力，故等效應(yīng)力值較大。

圖7 密封錐熱端最大應(yīng)力值分布曲線

圖8 密封錐冷端最大應(yīng)力值分布曲線

圖9示出了密封錐結(jié)構(gòu)在角度25°與厚度4 mm下應(yīng)力分布云圖?？梢钥闯?，最大等效應(yīng)力發(fā)生在冷端碳鋼材料變厚度處，其值為421.655 MPa，主要是由于密封錐結(jié)構(gòu)受金屬襯里熱膨脹產(chǎn)生的壓力，導(dǎo)致其彎曲應(yīng)力值較大。

為了直觀查看密封錐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，圖10與圖11分別示出了密封錐結(jié)構(gòu)冷端與熱端應(yīng)力分布云圖以及相應(yīng)的路徑位置。冷端最大等效應(yīng)力為421.655 MPa，熱端最大等效應(yīng)力為136.833 MPa。表5示出了密封錐結(jié)構(gòu)應(yīng)力線性化結(jié)果，可以看出，結(jié)構(gòu)的薄膜應(yīng)力較小，而二次彎曲應(yīng)力較大，主要是由于結(jié)構(gòu)受熱膨脹變形產(chǎn)生的。在對二次應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度評定時，由于該反應(yīng)器為間歇性操作，壓力保持不變，只是溫度發(fā)生了變化。根據(jù)ASME-Ⅷ-2標(biāo)準(zhǔn)[16]，許用應(yīng)力按照最高溫度與最低溫度應(yīng)力強(qiáng)度平均值的3倍或屈服強(qiáng)度平均值的2倍中的較大者。

圖9 密封錐結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖

圖10 密封錐冷端應(yīng)力分布云圖及路徑

圖11 密封錐熱端應(yīng)力分布云圖及路徑

表5 密封錐結(jié)構(gòu)路徑上應(yīng)力線性化及評定結(jié)果

注：1)對于SA-516 Gr.70材料：Sps1=Maximum (2*Average (SY@300℃,SY@120℃),3*Average (S@300℃,S@120℃)) =Maximum ( 2*Average (204,235.8),3*Average (136,138))=439.8 MPa;2)對于310S材料：Sps2=Maximum ( 2*Average (SY@705℃,SY@500℃),3*Average (S@705℃,S@500℃))=Maximum ( ,3*Average (15.22,116))=196.8 MPa

4 結(jié)論

(1) 針對高溫耐火襯里失效問題，提出了雙金屬焊接的密封錐結(jié)構(gòu)。通過APDL語言建立了密封錐連接結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，對其進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，獲得了其溫度場與應(yīng)力場分布規(guī)律，為此類高溫耐火襯里系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。

(2) 通過模擬密封錐結(jié)構(gòu)不同角度和厚度，獲得了密封錐結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律，給出了密封錐結(jié)構(gòu)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)：密封錐角度25°，厚度4 mm。

(3) 通過對密封錐結(jié)構(gòu)模擬發(fā)現(xiàn)，并不是增加密封錐厚度就可以降低應(yīng)力值，而是協(xié)調(diào)密封錐與金屬襯里剛度問題，讓密封錐更好地適應(yīng)結(jié)構(gòu)的熱膨脹產(chǎn)生變形，進(jìn)而降低應(yīng)力值。而減小密封錐角度也正是起著降低密封錐結(jié)構(gòu)的剛度的作用，更好地適應(yīng)熱變形，以降低應(yīng)力。