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加氫反應(yīng)器在煉油、在化工行業(yè)中有較為廣泛的應(yīng)用，在煉油工業(yè)中，高壓高溫加氫精制技術(shù)已經(jīng)超過(guò)半個(gè)世紀(jì)的歷史。該類(lèi)設(shè)備承受壓力高結(jié)構(gòu)特殊，受力復(fù)雜，造價(jià)昂貴。使用常規(guī)設(shè)計(jì)方法往往存在材料的浪費(fèi)，安定性不足等問(wèn)題。使用分析設(shè)計(jì)的方法可以降低材料的安全系數(shù)，可以采用較高的許用應(yīng)力，并能夠?qū)Y(jié)構(gòu)做出詳細(xì)的應(yīng)力強(qiáng)度分析。本研究以某化工廠加氫反應(yīng)裝置為例，對(duì)加氫反應(yīng)器物料出口、卸料口、下封頭部位采用有限元軟件ANSYS對(duì)該設(shè)備進(jìn)行有限元分析。
有限元分析是適應(yīng)于電子計(jì)算機(jī)的使用而發(fā)展起來(lái)的數(shù)值計(jì)算方法，有限元認(rèn)為：整體結(jié)構(gòu)可以看作由有限個(gè)力學(xué)小單元互相連接而組成的集合，得到每個(gè)單元的解，組合起來(lái)就能得到整體結(jié)構(gòu)的解。在分析求解時(shí)，必須對(duì)各個(gè)單元位移的分布做出假設(shè)，即選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似的表達(dá)單元位移分量隨坐標(biāo)變化的分布規(guī)律，這種函數(shù)稱(chēng)為有限元位移函數(shù)。根據(jù)選定的位移模式，用節(jié)點(diǎn)位移表示單位內(nèi)認(rèn)一點(diǎn)的位移，其矩陣表達(dá)形式。根據(jù)所有相鄰單元在公共節(jié)點(diǎn)上的位移相同和每個(gè)節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)載荷保持平衡的原則，形成總的剛度方程。
加氫反應(yīng)器的下封頭簡(jiǎn)圖如圖所示，主要有下封頭，出料口，卸料口，法蘭接管都組成。筒體內(nèi)徑3200mm，設(shè)計(jì)壓力19.9MPa。水壓試驗(yàn)壓力主要受壓元件為12Cr2Mo1VR鋼板和12Cr2Mo1V，各材料均在線彈性范圍內(nèi)。材料在各個(gè)溫度下的材料屬性如表所示。出料口由于物料的原因存在管口載荷，對(duì)整體模型使用Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型都采用六面體網(wǎng)格，共計(jì)單元數(shù)27134，節(jié)點(diǎn)數(shù)135238。劃分單元后的有限元模型如圖所示。在本研究的加氫模型中，在出料口出還存在管口載荷，由于有限元軟件ANSYS中對(duì)實(shí)體單元Solid186不能直接施加彎矩和扭矩載荷，因此使用MPC184單元對(duì)出料口法蘭處施加管口載荷。(1)上封頭處施加完全固定約束；(2)物料出口施加端面載荷：P=-3.2MPa；(3)卸料口施加端面載荷：P=-20.8MPa；(4)內(nèi)壓載荷:設(shè)計(jì)壓力P=19.9水壓試壓載荷P=28.9MPa；(5)物料出口法蘭處施加管口載荷：FX=20kN，F(xiàn)Y=20kN，F(xiàn)Z=-20kN，MX=40kNm，MY=40kNmM，MZ=40kNm。
封頭在設(shè)計(jì)壓力下的第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力云圖如圖所示。危險(xiǎn)截面主要發(fā)生在封頭法蘭處和出料口彎管處。如圖是接管法蘭應(yīng)力云圖，法蘭處的應(yīng)力最大值達(dá)到了324.5MPa。這主要是由于在此區(qū)域的結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的應(yīng)力集中，此處的應(yīng)力應(yīng)屬于局部應(yīng)力，具有自限性。如圖是彎管的應(yīng)力云圖，此處的應(yīng)力主要是由于管口載荷引起的，造成了很大的彎曲應(yīng)力。圖如圖所示。最大應(yīng)力發(fā)生在封頭法蘭處。最大應(yīng)力達(dá)到了503.3MPa。主要是由于壓力在此不連續(xù)處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力集中造成的。
根據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》將下封頭、法蘭、接管的危險(xiǎn)截面進(jìn)行等效線性化處理，得到在截面的上的主應(yīng)力，通過(guò)主應(yīng)力即可得到第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力，并分別歸為一次總體薄膜應(yīng)力(PL)，一次局部薄膜應(yīng)力(Pa)，二次應(yīng)力(口)，峰值應(yīng)力等。路徑選取的原則是通過(guò)應(yīng)力最大處，并沿壁厚的最短距離處。在設(shè)計(jì)載荷下取4條路徑(1-4)進(jìn)行評(píng)定，在水壓試驗(yàn)下取3條路徑(5-7)進(jìn)行評(píng)定，其中5-7分別對(duì)應(yīng)。
(1)出料口法蘭出存在的管口載荷對(duì)出料口彎管早成了比較大的彎曲應(yīng)力，(2)采用ANSYS軟件能夠準(zhǔn)確反應(yīng)出各個(gè)部位的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，為應(yīng)力評(píng)定提供了準(zhǔn)確的參考和依據(jù)，(3)通過(guò)計(jì)算在下封頭法蘭處還有一定的裕量，可以對(duì)下封頭法蘭進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和優(yōu)化。
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