氨合成塔封頭結構設計與應力分析

曾玲芝

（長沙威重化工機械有限公司）

氨合成塔封頭結構設計與應力分析

曾玲芝*

（長沙威重化工機械有限公司）

按GB 150規范對氨合成塔的封頭進行了結構設計和強度校核；利用ANSYS軟件建立封頭模型并對該模型進行了應力分析；選擇封頭對應處的ANSYS計算結果與經典公式計算結果作對比，檢驗了ANSYS結果的正確性。

氨合成塔 封頭 結構設計 應力分析 壓力容器

目前，國內氨合成塔的常規設計采用彈性強度理論，用較大的安全系數來保證其安全性，局部設計采用近似計算。而分析設計使用的ANSYS軟件能夠很好地模擬計算各種工況下的應力水平，為結構的設計提供依據。

本文按GB 150規范對氨合成塔的封頭進行結構設計和強度校核；利用ANSYS軟件對該封頭模型進行應力分析，獲得了幾個重要的結論。

1 球形封頭強度計算及校核

氨合成塔球形封頭結構如圖1所示，所用材料為Q345R。設計溫度下球形封頭的計算厚度 δ為：

式中 δ——球形封頭的計算厚度，mm；

圖1 封頭結構

2 球形封頭應力分析

容器開孔后，在孔邊附近的局部地區會達到很大的應力值。壓力容器中這種應力集中現象，通常用應力集中系數來表示。

（1）經典力學計算

①對于球殼上平齊接管，由

計算出接管1應力集中系數

（2）有限元計算

考慮到模型的不對稱性，建模時采用全模型，其結構如圖2所示。采用solid 185實體單元，以自由方式與掃掠方式劃分網格，其網格圖如圖3所示。

①接管端面施加平衡面載荷，應力云圖見圖 4～圖 7。

圖2 球形封頭實體模型

圖3 球形封頭網格模型

圖4 球殼Z-X軸周向應力云圖

圖5 球殼Z-XY軸周向應力云圖

圖6 球殼Z-X徑向應力云圖

圖7 球殼Z-XY徑向應力云圖

②筒體及接管內壁施加設計壓力。

約束條件：

①約束筒體端部的軸向位移，并且在x=0的節點上分別約束X方向位移；

②在y=0的節點上分別約束Y方向位移。

所得球殼周向應力云圖見圖4、圖5；球殼的徑向應力與軸向應力云圖見圖6～圖9；球殼的應力強度云圖見圖10～圖11；球殼的位移變化見圖12～圖 13。

圖8 球殼Z-X軸向應力云圖

圖9 球殼Z-XY軸向應力云圖

圖10 球殼Z-X軸應力強度云圖

圖11 球殼Z-XY軸應力強度云圖

圖12 球殼Z-X軸位移云圖

圖13 球殼Z-XY軸位移云圖

由圖可知，除開孔區外，其它區域應力強度小于170 MPa，均滿足強度要求。

（3）各接管的孔邊緣應力

各接管的孔邊緣應力云圖見圖14～圖16。

由圖14接管1孔邊緣應力云圖，得到孔邊緣處的最大應力為σmax=238.45 MPa，故應力集中系數為：

圖14 接管1孔邊緣應力云圖

圖15 接管2孔邊緣應力云圖

圖16 接管3孔邊緣應力云圖

由圖15接管2孔邊緣應力云圖，得到孔邊緣處的最大應力為σmax=280.73 MPa，故應力集中系數為：

由圖16接管3孔邊緣應力云圖，得到孔邊緣處的最大應力為σmax=243.11 MPa，故應力集中系數為：

上述結果均與理論分析一致，說明了有限元計算的正確性。

由三個接管邊緣處的應力計算可知，計算出的應力值已經超出了許可應力值，且最大應力值出現在球殼和接管的連接處，因此，應進行合適的補強處理。

3 結束語

（1）用GB 150規范對氨合成塔的封頭進行了結構設計和強度校核，球形封頭的名義厚度取140 mm，強度滿足要求。

（2）對于應力集中和不連續應力等在理論上難以解決的問題，利用有限元方法可計算出較精確的結果，能驗證該壓力容器運行的安全性。

（3）通過有限元計算可知，球殼和接管的連接處出現很高的應力集中，應進行合適的開孔補強。

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[6] 路秀林，王者相，等.塔設備 [M].北京：化學工業出版社，2004.

Structural Design and Stress Analysis of the Ammonia Synthetic Tower Shell Cover

Zeng Lingzhi

The structural design and strength check of the ammonia synthetic tower shell cover was determined based on the standard of GB150；ANSYS software was applied to build the model of the shell cover and the stress analysis was carried out；by comparing the corresponding results calculated by the ANSYS software with the results calculated by the classical formula，the validity of the results calculated by the ANSYS were verified.

Ammonia synthetic tower； Shell cover； Structure design； Stress analysis;Pressure vessel

TQ 052.4

*曾玲芝，女，1980年6月生，工程師。長沙市，410100。

2011-03-21）