張智超* 崔曉韻 任 航 景鵬飛 劉 博

（中國(guó)昆侖工程有限公司沈陽(yáng)分公司）

0 引言

聚合釜設(shè)備主要用于實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)過程，大部分聚合反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，為了吸收反應(yīng)放出的熱量，常采用夾套式聚合釜結(jié)構(gòu)。為了提高傳熱效率，可以采用內(nèi)置夾套聚合釜結(jié)構(gòu)。夾套內(nèi)需要設(shè)置導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，大部分導(dǎo)流板呈螺旋狀分布，部分采用同心環(huán)狀結(jié)構(gòu)，螺旋狀與同心狀分布的主要區(qū)別在于同心環(huán)狀導(dǎo)流板上要開孔，使得流體通過，為了不開孔，大部分導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)會(huì)采用螺旋導(dǎo)流板[1]。常規(guī)設(shè)計(jì)中，螺旋導(dǎo)流板的強(qiáng)度常常被忽略，只計(jì)算殼體的強(qiáng)度，外壓計(jì)算時(shí)導(dǎo)流板也不會(huì)被用作加強(qiáng)圈。然而，當(dāng)設(shè)備為內(nèi)置夾套結(jié)構(gòu)，采用分析設(shè)計(jì)時(shí)，就需要考慮導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，計(jì)算外壓時(shí)應(yīng)考慮其作用，另一方面，導(dǎo)流板與內(nèi)筒體采用全焊透、連續(xù)焊的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)流板起加強(qiáng)作用，考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)也應(yīng)包含在內(nèi)。本文就2 種結(jié)構(gòu)形式采用ANSYS WORKBENCH 的靜力學(xué)模塊進(jìn)行分析計(jì)算，通過比較后直接采用同心導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)代替螺旋導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化計(jì)算模型，提高仿真效率[2]。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

內(nèi)筒體內(nèi)徑為DN 1 000 mm，壁厚δ為12 mm；導(dǎo)流板高度h為50 mm，軸向間距L為200 mm，壁厚δ為20 mm。導(dǎo)流板的軸向間距L與導(dǎo)流板的高度h的關(guān)系為：3h≤L≤7h。設(shè)備的設(shè)計(jì)內(nèi)壓pc=2.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度為300 ℃，筒體端部?jī)?nèi)壓產(chǎn)生的等效壓力pd=-51.5 MPa。本文以該參數(shù)為例，建立螺旋導(dǎo)流板和同心環(huán)板導(dǎo)流板的2 種結(jié)構(gòu)模型，在網(wǎng)格尺寸及邊界條件一致的情況下，分析2 種結(jié)構(gòu)的區(qū)別。提高設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力pc至4.375 MPa，查看不同位置處筒體的總體薄膜應(yīng)力，可知導(dǎo)流板對(duì)筒體有加強(qiáng)作用。圖1 為立式內(nèi)置夾套聚合釜的結(jié)構(gòu)。

圖1 內(nèi)置夾套聚合釜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 殼體的壁厚計(jì)算

采用分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB 4732—1995《鋼制壓力容器》（2005 年確認(rèn)）中的7.3 節(jié)公式計(jì)算殼體厚度，設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度根據(jù)GB/T 150.2—2011《壓力容器 第2 部分：材料》中的材料數(shù)據(jù)，采用TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中表3-4 規(guī)定的分析設(shè)計(jì)的安全系數(shù)計(jì)算得到，板材選擇Q345R，材料在300 ℃時(shí)的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為153 MPa。選用JB 4732—1995 標(biāo)準(zhǔn)中公式（7-1）計(jì)算筒體厚度。設(shè)計(jì)壓力p=2.5 MPa 時(shí)，名義厚度為12 mm，設(shè)計(jì)壓力p=4.375 MPa 時(shí)，名義厚度為18 mm。

式中：pC——設(shè)計(jì)壓力；

Di——公稱直徑；

K——載荷比例系數(shù)；

Sm——材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；

C1——鋼板負(fù)偏差；

C2——腐蝕裕量。

3 有限元模型的構(gòu)建

首先建立結(jié)構(gòu)的幾何實(shí)體模型，主要是由關(guān)鍵點(diǎn)、線、面和體組成，用來直接描述所求問題的幾何特性。然后建立有限元模型，是實(shí)際結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的數(shù)學(xué)表示方法。在有限元軟件中，通過網(wǎng)格劃分賦予結(jié)構(gòu)中各個(gè)部分的材料屬性。

應(yīng)力分類法考慮的是線彈性模型，輸入材料的彈性模量和泊松比，應(yīng)力與應(yīng)變符合胡克定律[3]。

結(jié)構(gòu)分析采用8 節(jié)點(diǎn)SOLID 185 實(shí)體單元，分析建模時(shí)導(dǎo)流板的圈數(shù)為6 圈，相應(yīng)的有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

4 邊界條件的確定

邊界條件包含位移和力學(xué)邊界條件。針對(duì)實(shí)體單元模型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3 個(gè)自由度，即笛卡爾總體坐標(biāo)系的3 個(gè)方向上（UX，UY，UZ）平動(dòng)自由度。只有限制了剛體的位移，軟件才能進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真。

力學(xué)邊界條件包含載荷分為以下兩部分：設(shè)計(jì)壓力pc及筒體中介質(zhì)壓力在筒體軸端引起的等效軸向拉應(yīng)力。由于螺旋導(dǎo)流板不具備對(duì)稱性，所以建立整體的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算[4]。分析時(shí)應(yīng)以有效厚度進(jìn)行計(jì)算，本文主要比較2 種結(jié)構(gòu)的區(qū)別，因此按照名義厚度來考慮。

5 有限元分析及結(jié)果評(píng)定

通過分析計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖3～圖8 所示。通過圖5 和圖6 可以看出，結(jié)構(gòu)的最大位移位置在筒體上端面，螺旋導(dǎo)流板的上端截止部位存在不連續(xù)結(jié)構(gòu)，所以對(duì)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。兩種結(jié)構(gòu)的最大位移值相差0.06 mm，最大應(yīng)力值相差96 MPa。為了確切比較二者應(yīng)力分布的情況，需事先將模型切割為3 個(gè)區(qū)域，只選取中間區(qū)域進(jìn)行比較。從圖9和圖10 得知，二者位移相差不大。中心區(qū)域筒體的應(yīng)力相差7 MPa。因此，在整體結(jié)構(gòu)保持連續(xù)狀態(tài)的情況下，可以選擇采用同心導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)代替螺旋導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

圖3 整體位移云圖

圖4 整體應(yīng)力云圖

圖5 螺旋導(dǎo)流板位移云圖

圖6 同心導(dǎo)流板位移云圖

圖7 螺旋導(dǎo)流板應(yīng)力云圖

圖8 同心導(dǎo)流板應(yīng)力云圖

圖9 中間區(qū)域螺旋筒體位移云圖

根據(jù)圖4 整體應(yīng)力云圖可知，結(jié)構(gòu)的最大總應(yīng)力為211.97 MPa，位于螺旋導(dǎo)流板的首尾與筒體焊接連接處，此處屬于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大總應(yīng)力小于材料設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的1.5 倍（229.5 MPa）。根據(jù)圖10 可知，應(yīng)力分布比較均勻，最大應(yīng)力值為113.69 MPa，小于材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度（Sm=153 MPa）。整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均視為一次應(yīng)力，應(yīng)力評(píng)定結(jié)果為合格。

6 導(dǎo)流板的加強(qiáng)作用

通過以上分析，得到了在設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa 情況下，2 種結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)兩端無(wú)導(dǎo)流板部分的筒體和中間區(qū)域有導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的筒體的應(yīng)力相差不大。最大應(yīng)力相差約5 MPa，在設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa 時(shí)，無(wú)法判斷導(dǎo)流板對(duì)筒體具有加強(qiáng)作用。因此需要提高設(shè)計(jì)壓力至4.375 MPa，得到壓力相對(duì)較高的情況下的應(yīng)力分布情況，從而驗(yàn)證導(dǎo)流板的加強(qiáng)作用。

在設(shè)計(jì)壓力為4.375 MPa 條件下得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖中，中心區(qū)域兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力相差12 MPa，同心導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大于螺旋導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。兩端部分的筒體與中心區(qū)域的筒體的應(yīng)力也相差不大。通過選取路徑來比較筒體壁厚方向的總體薄膜應(yīng)力，驗(yàn)證導(dǎo)流板的加強(qiáng)作用。

路徑1 選在筒體的上端，路徑2 選在筒體的有導(dǎo)流板的中間部分。路徑1 的應(yīng)力線性化結(jié)果如表1 所示，路徑2 的應(yīng)力線性化結(jié)果如表2 所示。

表1 上端無(wú)導(dǎo)流板的筒體部分的路徑1的線性化列表（單位：MPa）

表2 中間有導(dǎo)流板的筒體部分的路徑2的線性化列表（單位：MPa）

表1 中路徑1 的總體薄膜應(yīng)力值pm=184.43 MPa；表2 中路徑2 的總體薄膜應(yīng)力值pm=151.59 MPa。與材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度（Sm=153 MPa）相比，路徑2的總體薄膜應(yīng)力小于材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，評(píng)定結(jié)果為合格。無(wú)導(dǎo)流板部分的筒體的總體薄膜應(yīng)力大于材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，評(píng)定結(jié)果為不合格。

所以，當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)p=4.375 MPa，T=300 ℃時(shí)，筒體的名義厚度為18 mm 才合格。當(dāng)存在導(dǎo)流板加強(qiáng)作用時(shí)，筒體的厚度可以減小至12 mm，且提高了釜體的總傳熱系數(shù)[5]。

7 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過應(yīng)力分類法的有限元分析計(jì)算后，可以得出以下結(jié)論：

（1）分析建模時(shí)可以采用同心導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)代替螺旋導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化力學(xué)模型，使得結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)全六面體網(wǎng)格劃分，加快了建模速率，提高了求解效率。

（2）采用導(dǎo)流板與內(nèi)筒體的全焊透結(jié)構(gòu)形式，可以降低內(nèi)筒體壁厚，提高釜體的總傳熱系數(shù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置夾套聚合釜的設(shè)計(jì)，提高工藝產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。