洗滌塔進料/釜液換熱器接管應力分析

周 川，於潛軍

(1.武漢東海石化重型裝備有限公司，湖北 武漢 430200;2.武漢江漢化工設計有限公司，湖北 武漢 430223)

洗滌塔中的進料/釜液換熱器[1]是化工項目中常見的設備，伴隨溫度較高、壓力較高的特點。針對洗滌塔進料/釜液換熱器帶偏心錐封,且考慮管端荷載的大口徑管口T2不能按GB/T 150.3-2011[2]壓力容器標準進行常規設計計算，GB/T 150.1-2011中附錄E給出了相應的解決方案。本文先采用有限元[4]分析軟件ANSYS18.0對該換熱器接管T2及偏心錐封結構進行數值模擬仿真，然后采用JB 4732-1995[3]鋼制壓力容器—分析設計標準(2005確認)進行應力分類及應力結果評定，其中,材料的設計應力強度按GB/T 150.2-2011對應的許用應力確定。

1 有限元基本理論

彈性體的有限單元法[5]

[K][q]=[R]

(1)

式中,K為結構總剛矩陣；q為節點位移列陣；R為節點載荷列陣。

2 有限元分析計算

2.1 設計數據

洗滌塔進料/釜液換熱器的主要設計數據見表1，設備主材材質及相應材料的力學性能參數見表2、表3。

表1 洗滌塔進料/釜液換熱器設計數據

表2 主材材質

表3 管程設計溫度(T=111℃)下材料性能參數

2.2 設備結構

洗滌塔進料/釜液換熱器T2接管ID1879x36mm，錐體規格為ID1879/2800x36mm,管箱短節筒體規格為ID2800x32mm。洗滌塔進料/釜液換熱器設備結構見圖1。

圖1 再沸器結構

2.3 有限元模型

接管T2作為管程出口，與錐體及管箱短節一起組成管箱結構，考慮到接管幾何結構和載荷，分析采用局部模型，包括接管T2、偏心錐體及管箱短節，建立回轉360°的三維結構靜力分析模型。模型所采用扣除腐蝕裕量及厚度負偏差的有效厚度，模型中接管與錐殼的計算厚度為35.7mm，管箱短節計算厚度為31.7mm，創建的實體模型見圖2。

圖2 T2接管實體模型

采用20節點實體單元(SOLID186)對實體模型進行網格劃分，管箱短節、接管T2及錐體沿厚度方向劃分3層單元，模型單元數共計54 000，節點數總計272 640。有限元網格模型見圖3。

圖3 T2接管有限元模型

2.4 邊界條件

(1) 邊界條件。在柱坐標系下，約束管箱短節筒體端部節點的軸向位移和周向轉動，施加約束后的有限元模型見圖4。

圖4 邊界條件

(2) 力邊界條件。承壓面施加內壓，即管程設計壓力：P1=2.334MPa；

T2管口端面平衡載荷：

T2接管管口管道外載荷見表4。

表4 T2接管外載荷

施加載荷后的力學模型見圖5、圖6。

圖5 載荷(管道外載)

圖6 載荷(內壓)

2.5 計算結果

圖7、圖8為設計工況下整體結構的Tresca應力云圖。

圖7 整體結構Tresca應力云圖

圖8 整體結構Tresca應力云圖

2.6 強度評定

根據JB4732鋼制壓力容器——分析設計規范(2005確認)進行應力強度評定。

主應力差：

S12=σ1-σ2；S23=σ2-σ3；S31=σ3-σ1

應力強度：

S=max{|S12|,|S23|,|S31|}

一次總體薄膜應力強度極限為KSm，一次局部薄膜應力強度極限為1.5KSm，一次薄膜加一次彎曲應力強度極限為1.5KSm，一次應力強度加二次應力強度極限為3.0Sm，Sm為許用應力強度。K為載荷系數，設計工況下取K=1.0。

由應力云圖7可知，結構的等效當量應力最大值位置位于錐體大端與管箱短節筒體連接處，最大當量應力值為280.009MPa。應力評定路徑見圖8，路徑 SCL1至SCL4路徑SCL1、SCL2取在接管T2與錐體相連接處；路徑SCL3取在錐體上；路徑SCL4取在錐體與管箱短節連接處。各路徑評定結果見表5。

表5 各路徑評定結果

綜上所述，此工況下筒體接管的強度評定合格。

3 結語

通過對洗滌塔進料/釜液換熱器T2接管在計算工況下的應力分析及強度進行評定，所得結果為安全。評定結果表明,洗滌塔進料/釜液換熱器接管T2滿足設計要求。