夾套反應釜開孔接管區的應力與疲勞分析*

楊述威，楊 俠，張 剛，楊 清

(1.武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430073；2.武漢鑫鼎泰技術有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

反應釜廣義上可理解成有化學性或物理性反應的不銹鋼容器。通過對反應容器進行結構設計與參數配置，可以滿足不同工藝需求[1]。夾套反應釜是一種用來完成多種工藝過程的典型反應設備，但由于反應釜操作壓力比較高，壓力容器長期在交變載荷作用下會產生疲勞破壞[2]等問題，社會上已出現過多起夾套反應釜泄漏或者爆炸事故[3],因此對夾套反應釜進行應力和疲勞分析，對于保障設備安全運行具有重要的意義[4-6]。以Wang[7]為代表的研究者對夾套反應釜的事故進行了一系列的分析研究，同樣也有大量學者對夾套反應釜結構進行了研究，例如Belytschko[8]、李保芹[9]等。本文利用ANSYS有限元軟件對夾套反應釜的應力分布進行研究，以獲得整個裝置的應力云圖，得到最大應力出現的位置，并對夾套反應釜各零部件進行疲勞分析。

1 建立模型及有限元分析

1.1 幾何建模

夾套反應釜主要設計數據見表1。

表1 夾套反應釜設計數據

夾套反應釜各部件材料及其在設計溫度下的性能參數見表2。

表2 部件材料及設計溫度下性能參數

在設計條件下按筒體計算壓力20 MPa、夾套計算壓力0 MPa、溫度450 ℃對結構進行分析。夾套反應釜內筒體規格為ID 1 000 mm×65 mm，內筒體封頭規格為HHA 1 017 mm×48(40)mm，夾套筒體規格為ID 1 330 mm×10 mm，夾套封頭規格為HHA 1 330 mm×10(8)mm。在ANSYS中創建模型如圖1所示。其中N1～N7、N14為內筒體接管，N8～N13為夾套接管。

圖1 夾套反應釜實體模型 圖2 夾套反應釜有限元模型

1.2 模型網格劃分

在有限元分析中采用Solid185單元對實體模型進行網格劃分，內筒體及夾套筒體模型單元數共計293 321，整個模型單元數總計375 257。夾套反應釜有限元模型如圖2所示。

1.3 邊界條件與加載

1.3.1 邊界條件

直角坐標系下對支座4個底板底面施加全約束。施加約束后的有限元模型如圖3所示。

圖3 邊界條件 圖4 施加載荷

1.3.2 加載

筒體內表面施加內壓，即設計壓力20.0 MPa，設備重量為33 500 kg。各接管端面平衡載荷依次為：PN1=-41.53 MPa、PN2=-41.53 MPa、PN3=-7.23 MPa、PN4=-7.23 MPa、PN5=-4.76 MPa、PN6=-7.66 MPa、PN7=-4.76 MPa、PN14=-4.76 MPa。施加載荷后的力學模型如圖4所示。

2 有限元計算結果分析

2.1 應力分析結果

設計工況下筒體側單獨受壓時整體結構及各部件的Tresca應力云圖如圖5～圖7所示。

圖5 整體結構Tresca等效應力云圖 圖6 筒體Tresca等效應力云圖 圖7 夾套Tresca等效應力云圖

在承壓結構中，從圖6可知：筒體結構的最大當量應力值為525 MPa，位于N2接管與筒體連接處。這是由于：①開孔導致筒體材料的連續性遭到破壞，使原有承載面積減小，筒體與接管連接處會產生應力集中現象；②焊縫導致局部結構不連續，從而形成局部不連續應力。接著使用不同尺寸的實體單元對模型進行收斂性驗證，證明此模擬結果是可靠的。

從圖7可知：夾套結構的最大當量應力值為263.16 MPa，位于夾套與筒體連接處。這是由于夾套與筒體連接處曲率發生突變，在此處產生了邊緣應力。接著使用不同尺寸的實體單元對模型進行收斂性驗證，證明此模擬結果是可靠的。

2.2 疲勞分析結果

按照夾套內壓力保持恒定Pj=0.4 MPa，溫度為400 ℃，筒體內壓力變化從0至16.0 MPa再降回0的壓力交變載荷工況下對本設備進行疲勞分析。整體結構應力幅值計算結果如圖8所示。

圖8 整體結構應力幅值計算結果

由圖5～圖7可知：對于筒體，最大當量應力位于N2接管與筒體連接位置處；對于夾套，最大當量應力位于內筒體與夾套筒體連接位置處，此處為該反應釜最易發生疲勞失效位置，因此就該位置允許出現的交變應力幅值進行分析。

2.2.1 筒體

圖9為內筒體應力幅值計算結果。由圖9可知：結構最大交變應力幅值△σ=273.28 MPa。

圖9 內筒體應力幅值計算結果

其當量交變應力幅值為：

Salt1=0.5△σ×(ε1/ε1t).

(1)

其中：ε1為筒體的工程應變，取值為2.1×105；ε1t為筒體的真實應變，其值為1.84×105。

將相關參數代入公式(1)可得Salt1=155.95 MPa。

該交變應力循環下使用系數為U1：

U1=n1/N1.

(2)

其中：n1為筒體實際循環次數，取值為3.054×105；N1為筒體總的循環次數，取值為3.83×105。

將相關參數代入公式(2)得U1=0.915<1。

2.2.2 夾套

圖10為夾套應力幅值計算結果。由圖10可知：結構最大交變應力幅值△σ=238.4 MPa。

圖10 夾套應力幅值計算結果

其當量交變應力幅值為：

Salt2=0.5△σ×(ε2/ε2t).

(3)

其中：ε2為夾套的工程應變，取值為2×105；ε2t為夾套的真實應變，其值為1.69×105。

將相關參數代入公式(3)可得Salt2=141.07 MPa。

該交變應力循環下使用系數為U2:

U2=n2/N2.

(4)

其中：n2為夾套實際循環次數，取值為3.504×105；N2為夾套總的循環次數，取值為3.97×106。

將相關參數代入公式(4)得U2=0.088 3<1。

綜上所述，在正常的使用工況下，該二級反應釜整體結構及結構連接的局部疲勞強度能滿足其正常使用工況要求。

3 結論

(1)通過ANSYS對夾套反應釜進行有限元分析得知：結構最大當量應力值為525 MPa，位于N2接管與筒體連接處，是疲勞失效的最危險點。可以通過適當增加接管厚度來達到補強效果，從而增加設備的使用壽命。

(2)ANSYS應力分析和疲勞計算分析結果表明：夾套反應釜疲勞強度能夠滿足正常工況需求，驗證了設計的安全性和合理性。