洗滌塔進(jìn)料/釜液換熱器接管應(yīng)力分析

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(jì)有限公司，湖北 武漢 430223)

洗滌塔中的進(jìn)料/釜液換熱器[1]是化工項(xiàng)目中常見的設(shè)備，伴隨溫度較高、壓力較高的特點(diǎn)。針對(duì)洗滌塔進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)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(duì)該換熱器接管T2及偏心錐封結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2005確認(rèn))進(jìn)行應(yīng)力分類及應(yīng)力結(jié)果評(píng)定，其中,材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度按GB/T 150.2-2011對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力確定。

1 有限元基本理論

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(diǎn)位移列陣；R為節(jié)點(diǎn)載荷列陣。

2 有限元分析計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

洗滌塔進(jìn)料/釜液換熱器的主要設(shè)計(jì)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(jìn)料/釜液換熱器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 主材材質(zhì)

表3 管程設(shè)計(jì)溫度(T=111℃)下材料性能參數(shù)

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

洗滌塔進(jìn)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(jìn)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)

2.3 有限元模型

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(fù)偏差的有效厚度，模型中接管與錐殼的計(jì)算厚度為35.7mm，管箱短節(jié)計(jì)算厚度為31.7mm，創(chuàng)建的實(shí)體模型見圖2。

圖2 T2接管實(shí)體模型

采用20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(SOLID186)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)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(jì)54 000，節(jié)點(diǎn)數(shù)總計(jì)272 640。有限元網(wǎng)格模型見圖3。

圖3 T2接管有限元模型

2.4 邊界條件

(1) 邊界條件。在柱坐標(biāo)系下，約束管箱短節(jié)筒體端部節(jié)點(diǎn)的軸向位移和周向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)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)

2.5 計(jì)算結(jié)果

圖7、圖8為設(shè)計(jì)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

2.6 強(qiáng)度評(píng)定

根據(jù)JB4732鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)規(guī)范(2005確認(rèn))進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。

主應(yīng)力差：

S12=σ1-σ2；S23=σ2-σ3；S31=σ3-σ1

應(yīng)力強(qiáng)度：

S=max{|S12|,|S23|,|S31|}

一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為KSm，一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5KSm，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5KSm，一次應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度極限為3.0Sm，Sm為許用應(yīng)力強(qiáng)度。K為載荷系數(shù)，設(shè)計(jì)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(píng)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(píng)定結(jié)果見表5。

表5 各路徑評(píng)定結(jié)果

綜上所述，此工況下筒體接管的強(qiáng)度評(píng)定合格。

3 結(jié)語

通過對(duì)洗滌塔進(jìn)料/釜液換熱器T2接管在計(jì)算工況下的應(yīng)力分析及強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定，所得結(jié)果為安全。評(píng)定結(jié)果表明,洗滌塔進(jìn)料/釜液換熱器接管T2滿足設(shè)計(jì)要求。