反應釜封頭部位大開孔接管應力分析與強度校核

張君顏 苑光健 劉 陽 陶明俊 蔣文春

(中國石油大學(華東)化學工程學院)

反應釜封頭部位大開孔接管應力分析與強度校核

張君顏*苑光健 劉 陽 陶明俊 蔣文春

(中國石油大學(華東)化學工程學院)

采用有限元軟件ABAQUS建立某反應釜封頭部位大開孔接管有限元模型進行應力分析，并用線性分析法進行強度校核。結果表明：應力最大值發生在接管與封頭外壁面相貫處；設計壓力條件下應力均滿足強度要求。

反應釜 封頭 應力分析 強度校核

反應釜用于物料甲酸二甲脂的合成反應，其封頭承受一定的內壓。根據實際生產工藝要求，需在封頭部位開一個超標接管孔。開孔結構破壞了原有的應力分布并引起應力集中，使容器產生裂紋甚至爆炸[1,2]，且其理論應力分析較為復雜。隨著有限元技術的發展，分析設計方法在結構強度設計和校核中得到越來越多的應用。吳和平等采用有限元法對熱壓機架進行應力應變計算和分析，提出了改善機架應力狀態的措施[3]；文聯奎利用有限元法對催化裂化裝置中煙氣輪機入口管線的結構、熱脹應力和自重應力進行了分析，指出該管系失效原因，并提出改進措施[4]。筆者采用有限元法，建立反應釜封頭開孔接管模型，并對其進行應力分析，重點校核封頭和接管連接部位的強度，評定封頭在使用狀況下的安全性。

1 有限元模擬

1.1幾何模型和網格劃分

某反應釜封頭是Ⅱ類壓力容器(圖1)，其最高工作壓力為0.28MPa，設計壓力為0.30MPa；工作溫度為85℃，設計溫度為100℃，介質為甲酸二甲脂，主要受壓元件材料為Q345R。

該反應釜采用標準橢圓封頭，其長軸內徑為1 750mm，壁厚為16mm，直邊長度為41mm，接管軸線到橢圓長軸的距離為284.5mm，接管規格為φ273mm×7mm，材料的彈性模量為0.2GPa，泊松比為0.3。

圖1 反應釜基本結構示意圖

運用有限元軟件ABAQUS對封頭建立模型。因幾何參數和載荷邊界條件均為軸對稱，故可建立1/2模型進行計算，其網格劃分如圖2所示。接管與封頭連接部位劃分較密，遠離連接位置劃分較稀疏，共95 982個節點、387 382個單元。

圖2 封頭網格劃分

1.2載荷和邊界條件

對封頭和接管施加內部均布載荷，其值為0.30MPa；對封頭和接管橫向施加x方向的對稱邊界條件；因封頭與筒體通過焊接連接，故對其底部施加固定邊界條件。

2 應力分析

封頭接管區的應力強度分布云圖如圖3所示。由圖3可知：由于接管和封頭連接部位的結構不連續，導致產生了較高的應力集中，因此封頭接管區的應力分布較為復雜；最大應力出現在接管與封頭外壁面相貫處，其值為62.27MPa，但所有部位的應力強度遠低于材料的許用應力，因此結構安全；另一處應力強度較大值出現在接管與封頭內壁面相貫處，其值為54.97MPa。

圖3 封頭接管區應力強度分布云圖

3 強度校核

根據JB/T 4732-1995對接管與封頭連接部位進行強度校核。強度校核準則為：一次局部薄膜應力PL≤1.5Sm；一次局部薄膜應力加一次彎曲應力PL+Pb≤1.5Sm；一次局部薄膜應力加一次彎曲應力、二次應力PL+Pb+Q≤3Sm。一次總體薄膜應力評定均合格，此處不另行校核。筆者對以下3條路徑進行了線性分析(圖4)：

a. 路徑1位于接管上。由于此路徑距離結構不連續處較近，因此評定準則為PL≤1.5Sm、PL+Pb+Q≤3Sm。

b. 路徑2位于接管與封頭相貫處，幾何不連續。封頭由于結構不連續會產生較高的二次應力，因此評定準則為PL≤1.5Sm、PL+Pb+Q≤3Sm。

c. 路徑3位于封頭上。由于此路徑遠離結構不連續處，因此評定準則為PL≤1.5Sm、PL+Pb≤1.5Sm。

圖4 路徑線性分析位置局部放大示例圖

在接管上，PL=51.00MPa<1.5Sm=205.50MPa，符合強度要求；PL+Pb+Q=51.60MPa<3Sm= 411.00MPa，符合強度要求。在接管與封頭相貫處，PL=56.10MPa<1.5Sm=205.50MPa，符合強度要求；PL+Pb+Q=56.30MPa<3Sm=411.00MPa，符合強度要求。在封頭上，PL=24.3MPa<1.5Sm=205.50MPa，符合強度要求；PL+Pb=24.60MPa <1.5Sm=205.50MPa，符合強度要求。

4 結束語

封頭與接管外壁面相貫處局部應力最高，其值為62.27MPa，封頭與接管內壁面相貫處局部應力達54.97MPa，但均遠小于材料許用應力，滿足使用要求。接管與封頭連接結構不連續區域強度校核均合格，滿足強度要求。

[1] 王志文，蔡仁良.化工容器設計[M].北京：化學工業出版社，2011：101.

[2] 淡勇，李俊菀，李會強.橢圓封頭水平接管部位應力分析和加強效果研究[J].化工機械，2009，36(6)：570～574.

[3] 吳和平，于聚濱，林哲山.用有限元法對熱壓機機架的應力分析[J].林業機械，1994，(3)：17～18.

[4] 文聯奎.有限元法在催化裂化煙氣輪機管線應力分析中的應用[J].石油大學學報(自然科學版)，1995，19(3)：110～113．

StressAnalysisandStrengthVerificationofLargeOpeningNozzleonReactorHead

ZHANG Jun-yan, YUAN Guang-jian, LIU Yang, TAO Ming-jun, JIANG Wen-chun

(CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The finite element model of a large opening nozzle on a reactor’s head was established with ABAQUS software to implement the stress analysis. Having its strength assessed with linear analysis method shows that the maximum stress concentrates on the intersecting line between the nozzle and head, and the stress strength can be acceptable at the design pressure.

reactor, head, stress analysis, strength verification

*張君顏，女，1993年2月生，本科生。山東省青島市，266580。

TQ052.5

A

0254-6094(2015)01-0083-03

2014-04-11，

2015-01-15)