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    基于ANSYS的加氫反應(yīng)器裙座筒體上段的可靠性研究

    2014-06-08 01:39:16王天亮何治文
    石油化工建設(shè) 2014年2期
    關(guān)鍵詞:蒙特卡羅置信度反應(yīng)器

    王天亮 周 密 何治文

    1 四川大學(xué)化工學(xué)院 四川成都 610065;2 中國(guó)二重集團(tuán)核電技術(shù)研究所 四川德陽(yáng) 618000

    基于ANSYS的加氫反應(yīng)器裙座筒體上段的可靠性研究

    王天亮1周 密1何治文2

    1 四川大學(xué)化工學(xué)院 四川成都 610065;2 中國(guó)二重集團(tuán)核電技術(shù)研究所 四川德陽(yáng) 618000

    將ANSYS概率分析模塊(PDS)與蒙特卡羅法相結(jié)合,以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法為基礎(chǔ),得出加氫反應(yīng)器裙座上段在一定置信度下的可靠度曲線,并進(jìn)行抽樣和敏感性分析,清晰的得出了各種參數(shù)的相互影響關(guān)系。結(jié)果分析表明,該分析為今后加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供了一種重要方法。

    加氫 可靠性 ANSYS 蒙特卡羅法 敏感性

    加氫反應(yīng)器是石油煉化裝置中重要的設(shè)備,主要運(yùn)行于高溫高壓的環(huán)境中,隨著國(guó)內(nèi)鍛造水平的提高,目前重要的加氫裝置均采用鍛件制造。裙座筒體上端(h形鍛件)是加氫裝置的重要部位,該部位是運(yùn)行中承受高應(yīng)力的主要區(qū)域,同時(shí)內(nèi)外壁的溫度差較大,因此存在較大的熱應(yīng)力(主要集中在熱箱)。目前加氫反應(yīng)器主要采用常規(guī)和分析設(shè)計(jì)兩種方法,盡管后者比前者更加的優(yōu)化,但是這兩種方法我們都不知道其安全可靠程度。本文通過(guò)加氫反應(yīng)器在分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上研究其可靠程度,研究各個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響的敏感性,為加氫裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加優(yōu)化和安全可靠提供參考指標(biāo)。

    1 可靠性分析概述

    1.1 可靠性設(shè)計(jì)的分析原理

    本文主要利用蒙特卡羅法對(duì)分析設(shè)計(jì)的加氫反應(yīng)器進(jìn)行可靠性分析,在分析設(shè)計(jì)中,我們假設(shè)所有參數(shù)是確定值,但實(shí)際中,很多參數(shù)是隨機(jī)不確定的,所以本文主要研究隨機(jī)因素對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響,加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)中主要涉及兩類基本靜態(tài)變量:即強(qiáng)度隨機(jī)靜態(tài)變量σr(X 1,X 2… Xn)和應(yīng)力隨機(jī)靜態(tài)變量σs(X 1,X 2… Xn),其中影響σr的因素有材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸、材料性質(zhì)、熱處理狀態(tài)以及缺陷等;影響σs的因素有力(壓力和集中力等)、彎矩載荷、溫度等。

    如果另結(jié)構(gòu)功能函數(shù)

    則結(jié)構(gòu)的可靠狀態(tài)可表示為

    可靠度表達(dá)式為

    1.2 蒙特卡羅法分析原理

    蒙特卡羅法是通過(guò)對(duì)隨機(jī)變量的大量抽樣,對(duì)抽樣結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后獲得的失效概率。

    蒙特卡羅法表示的可靠度為

    K[A(X)]為指標(biāo)函數(shù).則抽樣方差為:

    選取95%的置信度來(lái)保證蒙特卡羅法的抽樣誤差時(shí),有相對(duì)誤差:

    從蒙特卡羅方法的數(shù)學(xué)理論可知,該方法避免了結(jié)構(gòu)可靠度研究中的復(fù)雜數(shù)學(xué)過(guò)程,忽略了狀態(tài)函數(shù)的非線性、只要保證模擬次數(shù)足夠,建模合理,就能得到該結(jié)構(gòu)比較精確的可靠性指標(biāo)。

    2 ANSYS的蒙特卡羅法可靠性分析

    本文對(duì)加氫反應(yīng)器進(jìn)行可靠性分析,分析前對(duì)其應(yīng)力校核,合格后,通過(guò)確定隨機(jī)輸變量的參數(shù)值,分布類型以及分布函數(shù),在ANSYS的PDS模塊得到可靠性指標(biāo),包括最大應(yīng)力分布函數(shù),敏感性分析以及隨機(jī)變量參數(shù)的分布圖,利用這些指標(biāo)就可以去評(píng)估所設(shè)計(jì)的部件性能,比如利用敏感度可以進(jìn)行更優(yōu)化的設(shè)計(jì),以便得到更高的可靠性結(jié)構(gòu)。

    本文分析的部件材料為12Cr2Mo1R,設(shè)計(jì)溫度為350℃,其它參數(shù)見(jiàn)圖1,圖2是分析前的有限元網(wǎng)格模型,APDL中的可靠性表達(dá)式為:G(X)=σmax-σs其中:σmax為運(yùn)行中的最大應(yīng)力;σs為材料的屈服強(qiáng)度;當(dāng)G(X)≥0表示強(qiáng)度可靠,反之為強(qiáng)度失效。本文采用的隨機(jī)變量輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1,所有的標(biāo)準(zhǔn)差均是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查取的結(jié)果。

    圖1 主要結(jié)構(gòu)尺寸圖

    在進(jìn)行可靠性分析前,必須進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,本次分析需要考慮機(jī)械載荷(壓力,重力載荷)以及溫度體載荷(見(jiàn)圖3)對(duì)加氫反應(yīng)器共同的作用應(yīng)力(見(jiàn)圖4);利用APDL程序*GET,MAXSTR,SORT,MAX獲得節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力值并存儲(chǔ)。為其可靠性分析提供隨機(jī)數(shù)據(jù)。

    圖3 溫度分布云圖

    表1 隨機(jī)變量參數(shù)表

    圖4 溫度和力載荷共同作用下的應(yīng)力云圖

    3 可靠度分析

    3.1 可靠度計(jì)算結(jié)果

    本次可靠度計(jì)算中的極限值是指各部位最大應(yīng)力小于應(yīng)力極限的概率為95%,如果各部位的應(yīng)力極限小于材料的許用應(yīng)力,則該部位是安全的,可靠度值將超過(guò)95%。

    從圖5可清楚顯示應(yīng)力取值的概率情況,并且在置信度95%的情況下,Z小于0的平均概率為4.62%,即該部件的結(jié)構(gòu)失效概率。Z大于0(可靠度)占據(jù)主要部分,約為95.38%,根據(jù)工程設(shè)計(jì)的要求,說(shuō)明安全的,發(fā)生不可靠性的概率很小。

    3.2 抽樣過(guò)程分析

    圖5 最大應(yīng)力點(diǎn)的分布函數(shù)圖

    圖6 MAXSTR抽樣過(guò)程分布圖

    利用ANSYS對(duì)由第三強(qiáng)度理論確定的最大等效應(yīng)力進(jìn)行500次抽樣,從圖6可知,上下兩條曲線(應(yīng)力與強(qiáng)度的平均值曲線)逐漸接近且收斂,由蒙特卡羅可靠性分析原理可知,說(shuō)明數(shù)值模擬的次數(shù)滿足抽樣要求,服從正態(tài)(高斯)分布,從圖8中也可以看出,壓力P值接近正態(tài)分布曲線,也說(shuō)明從單個(gè)變量分析模擬次數(shù)也是足夠的。

    圖7 MAXSTR敏感性分析圖

    3.3 敏感性分析

    利用ANSYS軟件能對(duì)模型的輸入?yún)?shù)的敏感程度進(jìn)行自動(dòng)分析,隨機(jī)輸入變量對(duì)輸出變量的敏感性分析用概率的靈敏度表示,從圖7中可知,在忽略溫度為波動(dòng)因素的情況下,壓力P,結(jié)構(gòu)參數(shù) R2,R1,T2,T3對(duì)輸出的量影響較大,其他影響較小,所以我們可以利用本圖對(duì)加氫反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)達(dá)到更高的效率,得到更合理的結(jié)果。

    圖8 壓力P值分布柱狀圖

    4 結(jié)論

    本文利用ANSYS軟件,采用蒙特卡羅法對(duì)塔設(shè)備裙座從數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率論角度進(jìn)行了可靠性研究,最后給出了在95%的置信度下可靠度曲線和敏感度,得出如下結(jié)論:

    (1)利用可靠性研究方法設(shè)計(jì)壓力容器,可以更加直觀的揭示影響設(shè)備的主要因素,可以使設(shè)備的結(jié)構(gòu)得到更加可靠地保證,最終使設(shè)計(jì)方案更加合理;

    (2)可靠性的分析是以生產(chǎn),制造等產(chǎn)生的不確定性因素為基礎(chǔ),取代了傳統(tǒng)的理想確定分析模型,從而更加符合工程實(shí)際;

    (3)可靠性問(wèn)題的研究是建立在大量的統(tǒng)計(jì)資料上的,由于不同工況,不同制造加工水平致使材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)有很大的離散性和多變性,所以要想將可靠性研究設(shè)計(jì)方法更好的應(yīng)用,還有待于相關(guān)資料的收集與研究;

    (4)可靠性研究可以為將來(lái)裝置的在役分析提供很好的指導(dǎo)性。

    1 劉寧.可靠度隨機(jī)有限元法及其工程應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.15-32.

    2 王金龍.基于蒙特卡羅法的壓力容器可靠性風(fēng)險(xiǎn)分析[J].濰坊學(xué)報(bào),2008(4,):60-62.

    3 潘家禎.壓力容器材料實(shí)用手冊(cè)—碳鋼及合金鋼[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

    4 王金龍.基于ANSYS球形封頭壓力容器的可靠性分析 [J].化工裝備技術(shù),2008,3(2):27-30.

    5 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007:341-347

    6 呂明.基于ANSYS的壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)可靠性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,6(2):28-29

    7 GB150-1998,鋼制壓力容器 [S].

    TE682

    B

    1672-9323(2014)02-0071-03

    2013-11-29)

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