甲醇合成反應器密集大開孔接管應力分析

楊曉

摘 要

Davy甲醇合成反應器封頭開有5個大尺寸密集排布的接管，該結構未采用聯合補強，在GB/T150規范要求下無法通過計算。本文運用有限元計算方法，對最危險工況下的甲醇合成反應器進行局部應力分析，參照有限元分析結果，按ASME SEC.VIII DIV.2《Alternative Rules》中的相關要求對局部結構，采用Mises應力進行強度評定。經計算，該種結構滿足強度要求，為后續的工程設計提供了依據。

關鍵詞

密集開孔;有限元;強度評定

中圖分類號： TQ223.121 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.027

隨著甲醇工業生產能力的提升，設備在向大型化方向發展，Davy甲醇反應器也推陳出新，結構上不斷出現新的設計思路，最新的Davy甲醇反應器結構上更為復雜，采用懸浮式換熱管板，并將管板與封頭處接管直接相連以平衡換熱管拉力，這導致封頭的5個大尺寸的接管密集排布，此種結構不滿足現有的設計規范GB/T150的設計要求。筆者以有限元分析計算為基礎，對反應器的大尺寸密集開孔進行分析計算，以達到更安全的結構[1-2]。

1 設備概況

甲醇合成反應器為塔式列管反應床，反應器結構如圖1所示。筒體直徑3715mm，厚度130mm;封頭為球形，直徑1880mm，厚度100mm，成型厚度85mm;管板為懸浮式設計，上端與封頭上接管相連，下端與換熱管連接，直徑1150mm，厚度180mm;中心接管M2，內徑750mm，壁厚120mm;環形排列接管N4A～N4D，內徑620mm，壁厚120mm。設計參數及材料參數分別見表1、表2。

2 危險工況分析

甲醇合成反應器管板的安裝形式為浮動式，管板連通管箱，與反應器外殼體封頭上的相應接管相連。因此管板及管束依靠反應器外殼體上相應接管支撐。由于管束與管板連接的過渡段采用彎管的形式，為撓性結構，因此可以忽略管束對上下管板的豎向位移約束作用。由于管板自重對管板應力影響可以忽略，因此管板危險工況暫不考慮自重的影響。

根據甲醇合成反應器的設計條件，管板設計工況下的載荷組合分為5種，如表3所示。管板的受力分為管程側受壓和殼程側受壓兩大類工況，其中工況1為管程側受壓，其余工況可認為是殼程側受壓。分析工況2～工況5的載荷組合可以發現，工況5時的載荷組合是殼程側受壓工況中最大的，可以涵蓋其余3種工況。因此，工況5的是甲醇合成反應器最危險的工況，計算時的載荷按工況5進行。

3 載荷條件分析

在工況5下管板對管口的載荷最大，在管口載荷計算時需同時考慮各部件重量與上述工況的組合?？紤]危險工況，其載荷組合見表4。

4 計算模型及參數選取

根據圣維南原理，當筒體長度大于700mm時，筒體端部邊界對筒體與封頭連接部位應力的影響可以忽略。因此在建立三維模型時，筒體長度取1400mm。封頭及其接管的三維模型如圖3所示。網格劃分采用C3D10M，封頭及其接管的網格總數為363204，節點總數為584127。

筒體直邊段端面采用固定支撐，限制其三個方向位移為0。計算采用結構靜力學方法，材料屬性及許用應力等參數均采用設計溫度下的值。

4.1 封頭及其接管開孔補強

工況5上封頭的總體應力分布及變形如圖4所示。從圖中可以看出，工況5上封頭的最大應力出現在接管N4B內壁與封頭內壁相貫線處，最大應力395.1MPa。從圖中也可看出接管N4A、N4B、N4C和N4D與封頭連接部位應力分布情況是一致的，最大應力分別為380.7MPa、395.1 MPa、393.7 MPa、380.2 MPa。這種微小的差異是由于接管周圍開孔情況不同以及管口外載荷引起的。

根據ASME SEC.VIII DIV.2的應力強度極限值，局部薄膜應力須滿足PL<1.5KSm，二次應力PL+Q<3Sm[3]。綜上，PL<1.5×159.8=239.7MPa;PL+Q<3×159.8=479.4MPa，工況5上封頭及接管的強度滿足要求。

3 結論

根據圖紙及載荷條件，對甲醇合成反應器的封頭及其開孔補強、管板和膨脹節進行了應力分析。局部結構強度的評定按ASME SEC.VIII DIV.2《Alternative Rules》。評定結果表明水冷甲醇合成反應器的封頭及其開孔補強、管板和膨脹節的強度滿足ASME SEC.VIII DIV.2的要求。

參考文獻

[1]彭芳，王文婷.反應釜人孔結構的三維有限元分析[J].內蒙古石油化工，2018，（1）：47-48.

[2]魯佳，李煥鳴，鄧豐，李冬慧，胡彧，田雅婧.核電廠穩壓器下封頭電加熱原件安裝區開孔補強計算[J].科技視界，2018，（4）：137-138.

[3]ASME boiler and pressure vessel code-2018.VIII Rules for construction of pressure vessels Division 1[S].