基于ANSYS Wo rkbench的熱壁加氫反應(yīng)器熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

劉　健（黃河三角洲京博化工研究院有限公司,山東　濱州　256500）

基于ANSYS Wo rkbench的熱壁加氫反應(yīng)器熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

劉健
（黃河三角洲京博化工研究院有限公司,山東濱州256500）

本文研究介紹了以ANSYSWorkbench平臺對熱壁加氫反應(yīng)器進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，模擬分析了在實際工況下加氫反應(yīng)器的熱分布和應(yīng)力分布，對應(yīng)力薄弱點進(jìn)行線性化處理得到薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等各項應(yīng)力結(jié)果，并與設(shè)計規(guī)范進(jìn)行比較。通過運用ANSYSWorkbench的平臺能方便的對多材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合分析，為近一步優(yōu)化設(shè)計提供了可靠支持。

Workbench；加氫反應(yīng)器；熱結(jié)構(gòu)耦合；線性化評定

0　引言

石油化工行業(yè)中加氫反應(yīng)器在煉油作業(yè)中起著比較重要的地位。隨著煉油工藝的改進(jìn),工程技術(shù)人員對加氫反應(yīng)器的設(shè)計制造提出了更高的要求。加氫反應(yīng)器的設(shè)計已經(jīng)從原有的彈性失效為準(zhǔn)則的安全設(shè)計，轉(zhuǎn)化為塑性失效和彈性失效為理論基礎(chǔ)的分析設(shè)計[1]。通過運用流體分析和結(jié)構(gòu)分析軟件對反應(yīng)器進(jìn)行內(nèi)部流場溫度分析及熱應(yīng)力耦合分析，大大提高了計算的準(zhǔn)確性和設(shè)備的安全性。本文將以ANSYSWorkbench為平臺對加氫反應(yīng)器進(jìn)行熱應(yīng)力分析，線性化評定查看強(qiáng)度薄弱點，從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化[2]。加氫反應(yīng)器的部分設(shè)計條件如表1所示：

表1　加氫反應(yīng)器的設(shè)計條件

1　熱壁加氫反應(yīng)器的模型建立

進(jìn)行有限元分析最主要的就是模型的建立，ANSYSWorkbench平臺有著強(qiáng)大的模型接口能力，本例通過Pro/e建立加氫反應(yīng)器的三維模型，并將保溫層和防火層一同裝配后導(dǎo)入Workbench中，三維模型如圖1所示。

2　熱壁加氫反應(yīng)器的熱分析

2.1定義材料屬性并劃分網(wǎng)格

運用ANSYSWorkbench可以方便對多材料進(jìn)行屬性設(shè)置，該熱壁加氫反應(yīng)器一共包括筒體、裙座、保溫層和防火層4種材質(zhì)，進(jìn)行熱分析時要分別設(shè)置這4中材質(zhì)不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)[3]。其中保溫層的導(dǎo)熱率為0.0001W/(m.°C),防火層導(dǎo)熱率為0.0014W/(m.°C)。網(wǎng)格劃分選擇自動映射劃分，在薄壁和倒角位置適當(dāng)加密網(wǎng)格。運用Workbench對裝配體進(jìn)行一體劃分，可以方便的將接觸面自動劃分，而且省去了繁瑣的定義接觸對的步驟提高了分析效率。劃分網(wǎng)格后的三維模型如圖所示：

2.2定義熱分析邊界條件

熱壁加氫反應(yīng)器正常工作時溫度基本保持穩(wěn)定，選擇Steady-StateThermal穩(wěn)態(tài)熱分析。按照設(shè)計溫度454°C的條件，設(shè)定筒體及法蘭頭內(nèi)壁為Temperature邊界，設(shè)置保溫層外側(cè)及裙座內(nèi)壁為對流面Convection邊界，筒體斷面和裙座地面為絕熱邊界。其中對流面的對流系數(shù)要根據(jù)對流邊界外部真實環(huán)境而定。

2.3穩(wěn)態(tài)熱分析求解并查看結(jié)果

通過求解得到加氫反應(yīng)器在設(shè)計工況下的熱場分布圖3所示。從圖中可以看出整個筒體和法蘭頭溫度都保持在400度以上，在筒體保溫層的作用下外側(cè)溫度為80度左右，裙座部分溫度從上往下遞減。

3　熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

3.1材料屬性設(shè)置

通過上述對加氫反應(yīng)器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析得到其熱場的分布，通過Workbench建立熱分析和結(jié)構(gòu)分析的耦合關(guān)聯(lián)，為后續(xù)進(jìn)行熱應(yīng)力分析導(dǎo)入熱載荷。

在進(jìn)行應(yīng)力分析時，對加氫反應(yīng)器不能輸入常溫的彈性模量，且要考慮筒體材料和裙座材料的不同。進(jìn)入結(jié)構(gòu)靜力分析后定義加氫反應(yīng)器筒體和裙座的不同溫度下的彈性模量及熱膨脹系數(shù)。運用Workbench內(nèi)的EngineeringData定義兩種材質(zhì)的屬性，應(yīng)用Tabular可以方便的添加多參數(shù)的屬性。表2為筒體在不同溫度下的熱膨脹率和彈性模量[4]。

表2　筒體不同溫度下的參數(shù)

3.2設(shè)置載荷并求解

將三維模型和熱分析結(jié)果分別關(guān)聯(lián)到結(jié)構(gòu)分析中后，應(yīng)力分析不再需要保溫層和防火層，留下筒體和裙座進(jìn)行應(yīng)力分析。載入熱分析結(jié)果作為熱載荷，設(shè)置筒體內(nèi)壓力為設(shè)計壓力18.94MPa,筒體斷面的軸向拉力為7.19E7MPa，法蘭接頭拉力為6.9E6MPa,裙座底部為固定約束。求解計算得到的壓力和溫度共同作用下的分析結(jié)果如下圖所示。從圖5看到位移最大點在筒體斷面處，應(yīng)力最大在熱箱上內(nèi)側(cè)的倒角處。

4　結(jié)果應(yīng)力線性化評定

應(yīng)力分析最終目的是進(jìn)行強(qiáng)度評定，現(xiàn)選擇三處應(yīng)力相對比較集中的位置進(jìn)行線性化結(jié)果分析[5]。

分別提取圖7中所表示出來的3條路徑的線性結(jié)果。其中路徑2的線性化結(jié)果如下所示。

根據(jù)國標(biāo)JB4732-95的規(guī)定，通過提取三個路徑的線性化結(jié)果對結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度評定：路徑1PL=80MPa＜1.5Sm=294MPa，

PL+Pb+Q=154.9MPa＜3Sm=588MPa強(qiáng)度符合；路徑 2PL=163.8MPa＜1.5Sm=294MPa，PL+Pb+Q=169.8MPa＜3Sm=588MPa強(qiáng)度符合；路徑 3PL=143.4MPa＜1.5Sm=294MPa，PL+Pb+Q=99.9MPa＜3Sm=588MPa強(qiáng)度符合要求。

5　結(jié)論

運用ANSYSWorkbench平臺對熱壁加氫裝置進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)分析，充分考慮的不同材質(zhì)在不同溫度下的參數(shù)設(shè)置，保證了計算結(jié)果更貼近于實際情況。通過線性化后處理給出應(yīng)力分量對其進(jìn)行強(qiáng)度評定，為化工類設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

[1]張振戎.加氫反應(yīng)器的發(fā)展歷史[J].化工裝備技術(shù),2009(02):1～5.

[2]程新宇,馮曉偉.基于ANSYS_WORKBENCH的壓力容器接管應(yīng)力分析[J].石油與化工設(shè)備.2011(04):1～4.

[3]王洪海.加氫反應(yīng)器瞬態(tài)溫度場數(shù)值模擬[J].石油機(jī)械,2007(07):1～3.

[4]丁欣碩,凌桂龍.數(shù)控加工工藝ANSYSWorkbench14.5有限元分析案例詳解［M］北京：清華大學(xué)出版社,2013.

[5]欒春遠(yuǎn).壓力容器ANSYS分析與強(qiáng)度計算[M].中國水利水電出版社,2013(01):231～253.

劉健(1983-)，男，2007年本科畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，主要從事化工設(shè)備、壓力容器的設(shè)計工作。