基于ANSYS再沸器管口接管應(yīng)力的仿真分析

楊述威，楊 俠*，張 剛，楊 清

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430205；

2.武漢鑫鼎泰技術(shù)有限公司，湖北 武漢430223

再沸器作為分餾裝置的主要熱源，是化工廠進(jìn)行分餾過(guò)程的重要設(shè)備［1-2］。隨著我國(guó)化工行業(yè)的發(fā)展，再沸器的使用也越來(lái)越多。為了滿足生產(chǎn)需要，必須在再沸器上開(kāi)孔接管［3］，此時(shí)筒體原本的連續(xù)平衡狀態(tài)遭受破壞，筒體與接管連接處會(huì)引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，甚至可能導(dǎo)致事故的發(fā)生［4-5］。因此，對(duì)管口接管連接處進(jìn)行應(yīng)力分析研究非常必要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多研究者使用ANSYS軟件在研究壓力容器開(kāi)孔相關(guān)課題上取得了一些成果，為大開(kāi)口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考［6-9］，本文運(yùn)用ANSYS有限元分析方法，對(duì)某型號(hào)再沸器管口接管應(yīng)力分布和大小進(jìn)行了研究，并按照J(rèn)B4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定［10-12］，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

1 建立模型及有限元分析

1.1 幾何建模

再沸器因設(shè)備結(jié)構(gòu)載荷條件復(fù)雜，且承受疲勞載荷，需要按照J(rèn)B4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認(rèn)版）進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。再沸器主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1再沸器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.1 Reboiler design data

再沸器各部件材質(zhì)、許用應(yīng)力強(qiáng)度、彈性模量、泊松比按照材料參數(shù)均參照GB/T 150.1～150.4-2011《壓力容器》查取，如表2所示。

表2各部件材質(zhì)及其在設(shè)計(jì)溫度（t=210℃）下性能參數(shù)Tab.2 Material of each component and its performance parameters at design temperature（t=210℃）

再沸器管箱筒體規(guī)格為ID800 mm×16 mm，接管T2規(guī)格為φ508 mm×16 mm，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度18 mm。T2接管位于管程側(cè)，考慮到T2接管設(shè)計(jì)工況、操作工況及安裝工況下管口載荷的大小和方位不盡相同，按最苛刻工況（工況下管口載荷的最大值）進(jìn)行分析計(jì)算。接管T2位于管箱筒體上，考慮到接管幾何結(jié)構(gòu)和載荷，分析采用局部模型，包括筒體、T2接管及補(bǔ)強(qiáng)圈，建立三維結(jié)構(gòu)靜力分析模型。

1.2 模型網(wǎng)格劃分

在有限元分析中，采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（SOL?ID185）對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，筒體、接管及補(bǔ)強(qiáng)圈沿厚度方向劃分3層單元，筒體、接管及補(bǔ)強(qiáng)圈模型單元數(shù)共計(jì)61 212，整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)總計(jì)79 914。有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.3 邊界條件設(shè)置與加載

1.3.1 邊界條件在柱坐標(biāo)系下，約束管箱筒體端部節(jié)點(diǎn)的軸向位移和環(huán)向位移，施加約束后有限元模型如圖2所示。

圖1管口接管有限元模型：（a）局部，（b）局部半剖面Fig.1 Finite element model of nozzle joint：（a）local nozzle joint，（b）partial semi-section nozzle joint

圖2邊界條件Fig.2 Boundary conditions

1.3.2 負(fù)載承壓面施加內(nèi)壓，即設(shè)計(jì)壓力：P1=1.45 MPa，T2管口端面平衡載荷為-12.07 MPa，殼體端面平衡載荷為-23.81 MPa。T2接管管口管道x、y、z方向上外載荷Fx、Fy、Fz以及力矩Mx、My、Mz如表3所示。有限元模型載荷如圖3所示。

表3 T2接管外載荷（工況取最大值）Tab.3 External load of nozzle T2（each working condition with maximum value）

圖3載荷：（a）管道外載，（b）內(nèi)壓Fig.3 Load：（a）outside load of pipeline，（b）internal pressure

2 有限元計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

2.1 有限元結(jié)果

基于最大切應(yīng)力理論，引起材料屈服的主要因素是最大切應(yīng)力，所以在此我們選用TRESCA等效應(yīng)力作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)。有限元分析求解得到的整體結(jié)構(gòu)及各部件的TRESCA應(yīng)力云圖，如圖4所示。

由應(yīng)力云圖可知，結(jié)構(gòu)的等效當(dāng)量應(yīng)力最大值出現(xiàn)在接管與筒體連接處筒體一側(cè)的外表面，最大當(dāng)量應(yīng)力值為317.689 MPa。由于管口接管的存在破壞了材料的連續(xù)性，導(dǎo)致筒體接管連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。而且，由于材料的不連續(xù)使得接管連接處在內(nèi)壓的作用下會(huì)產(chǎn)生邊緣應(yīng)力，所以接管連接處應(yīng)力最大，此處是最危險(xiǎn)的區(qū)域，最容易發(fā)生強(qiáng)度失效［13-15］。

2.2 應(yīng)力評(píng)定

根據(jù)JB4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)上述模型進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。一次局部薄膜應(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）。應(yīng)力強(qiáng)度按照SI≤1.5KSm，SⅣ≤3.0KSm判定。

1）筒體從筒體的Tresca等效應(yīng)力云圖4（c）可知，結(jié)構(gòu)的最大等效當(dāng)量應(yīng)力值位于筒體與接管連接處，最大等效當(dāng)量應(yīng)力值為174.044 MPa。選取筒體最大應(yīng)力位置上的路徑SCL1、SCL2進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，應(yīng)力評(píng)定路徑如圖4（c）所示，應(yīng)力線性化結(jié)果分析如表4所示。

2）接管T2從大開(kāi)孔接管結(jié)構(gòu)的Tresca等效應(yīng)力云圖4（d）可知，結(jié)構(gòu)的最大等效當(dāng)量應(yīng)力值位于筒體與接管連接處，最大等效當(dāng)量應(yīng)力值為317.689 MPa。選取接管T2最大應(yīng)力位置上的路徑SCL3、SCL4、SCL5進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，應(yīng)力評(píng)定路徑如圖4（e）所示，應(yīng)力線性化結(jié)果分析如表4所示。

圖4 Tresca等效應(yīng)力云圖：（a）整體結(jié)構(gòu)，（b）接管半剖面，（c）筒體，（d）管口接管局部T，（e）管口接管局部半剖面Fig.4 Contour plots of Tresca equivalent stress：（a）overall structure of nozzle，（b）nozzle's semi-section，（c）cylinder，（d）local T of nozzle joint，（e）partial semi-section of nozzle joint

表4各路徑下評(píng)定結(jié)果Tab.4 Evaluation results under each path

通過(guò)以上分析結(jié)果可知，此工況下筒體、接管的結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

1）通過(guò)有限元分析軟件對(duì)再沸器管口接管處的應(yīng)力分析，可以得知結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在接管與筒體連接處筒體一側(cè)的外表面，最大當(dāng)量應(yīng)力值為317.689 MPa，其他位置應(yīng)力值均低于此處，因此該位置較其他位置更容易發(fā)生損傷或者破壞，屬于危險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)此我們應(yīng)該在滿足正常工況的情況下盡可能增大壁厚，合理設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)圈來(lái)提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

2）依據(jù)JB4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)管口接管選取的5條危險(xiǎn)路徑進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，結(jié)果表明強(qiáng)度均在允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的安全性和合理性，為下一步再沸器管口接管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。