周 川,於潛軍
(1.武漢東海石化重型裝備有限公司,湖北 武漢 430200;2.武漢江漢化工設(shè)計有限公司,湖北 武漢 430223)
洗滌塔中的進料/釜液換熱器[1]是化工項目中常見的設(shè)備,伴隨溫度較高、壓力較高的特點。針對洗滌塔進料/釜液換熱器帶偏心錐封,且考慮管端荷載的大口徑管口T2不能按GB/T 150.3-2011[2]壓力容器標準進行常規(guī)設(shè)計計算,GB/T 150.1-2011中附錄E給出了相應(yīng)的解決方案。本文先采用有限元[4]分析軟件ANSYS18.0對該換熱器接管T2及偏心錐封結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬仿真,然后采用JB 4732-1995[3]鋼制壓力容器—分析設(shè)計標準(2005確認)進行應(yīng)力分類及應(yīng)力結(jié)果評定,其中,材料的設(shè)計應(yīng)力強度按GB/T 150.2-2011對應(yīng)的許用應(yīng)力確定。
彈性體的有限單元法[5]
[K][q]=[R]
(1)
式中,K為結(jié)構(gòu)總剛矩陣;q為節(jié)點位移列陣;R為節(jié)點載荷列陣。
洗滌塔進料/釜液換熱器的主要設(shè)計數(shù)據(jù)見表1,設(shè)備主材材質(zhì)及相應(yīng)材料的力學(xué)性能參數(shù)見表2、表3。
表1 洗滌塔進料/釜液換熱器設(shè)計數(shù)據(jù)
表2 主材材質(zhì)
表3 管程設(shè)計溫度(T=111℃)下材料性能參數(shù)
洗滌塔進料/釜液換熱器T2接管ID1879x36mm,錐體規(guī)格為ID1879/2800x36mm,管箱短節(jié)筒體規(guī)格為ID2800x32mm。洗滌塔進料/釜液換熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 再沸器結(jié)構(gòu)
接管T2作為管程出口,與錐體及管箱短節(jié)一起組成管箱結(jié)構(gòu),考慮到接管幾何結(jié)構(gòu)和載荷,分析采用局部模型,包括接管T2、偏心錐體及管箱短節(jié),建立回轉(zhuǎn)360°的三維結(jié)構(gòu)靜力分析模型。模型所采用扣除腐蝕裕量及厚度負偏差的有效厚度,模型中接管與錐殼的計算厚度為35.7mm,管箱短節(jié)計算厚度為31.7mm,創(chuàng)建的實體模型見圖2。
圖2 T2接管實體模型
采用20節(jié)點實體單元(SOLID186)對實體模型進行網(wǎng)格劃分,管箱短節(jié)、接管T2及錐體沿厚度方向劃分3層單元,模型單元數(shù)共計54 000,節(jié)點數(shù)總計272 640。有限元網(wǎng)格模型見圖3。
圖3 T2接管有限元模型
(1) 邊界條件。在柱坐標系下,約束管箱短節(jié)筒體端部節(jié)點的軸向位移和周向轉(zhuǎn)動,施加約束后的有限元模型見圖4。
圖4 邊界條件
(2) 力邊界條件。承壓面施加內(nèi)壓,即管程設(shè)計壓力:P1=2.334MPa;
T2管口端面平衡載荷:
T2接管管口管道外載荷見表4。
表4 T2接管外載荷
施加載荷后的力學(xué)模型見圖5、圖6。
圖5 載荷(管道外載)
圖6 載荷(內(nèi)壓)
圖7、圖8為設(shè)計工況下整體結(jié)構(gòu)的Tresca應(yīng)力云圖。
圖7 整體結(jié)構(gòu)Tresca應(yīng)力云圖
圖8 整體結(jié)構(gòu)Tresca應(yīng)力云圖
根據(jù)JB4732鋼制壓力容器——分析設(shè)計規(guī)范(2005確認)進行應(yīng)力強度評定。
主應(yīng)力差:
S12=σ1-σ2;S23=σ2-σ3;S31=σ3-σ1
應(yīng)力強度:
S=max{|S12|,|S23|,|S31|}
一次總體薄膜應(yīng)力強度極限為KSm,一次局部薄膜應(yīng)力強度極限為1.5KSm,一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度極限為1.5KSm,一次應(yīng)力強度加二次應(yīng)力強度極限為3.0Sm,Sm為許用應(yīng)力強度。K為載荷系數(shù),設(shè)計工況下取K=1.0。
由應(yīng)力云圖7可知,結(jié)構(gòu)的等效當(dāng)量應(yīng)力最大值位置位于錐體大端與管箱短節(jié)筒體連接處,最大當(dāng)量應(yīng)力值為280.009MPa。應(yīng)力評定路徑見圖8,路徑 SCL1至SCL4路徑SCL1、SCL2取在接管T2與錐體相連接處;路徑SCL3取在錐體上;路徑SCL4取在錐體與管箱短節(jié)連接處。各路徑評定結(jié)果見表5。
表5 各路徑評定結(jié)果
綜上所述,此工況下筒體接管的強度評定合格。
通過對洗滌塔進料/釜液換熱器T2接管在計算工況下的應(yīng)力分析及強度進行評定,所得結(jié)果為安全。評定結(jié)果表明,洗滌塔進料/釜液換熱器接管T2滿足設(shè)計要求。