基于ANSYS再沸器管口接管應力的仿真分析

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430205；

2.武漢鑫鼎泰技術有限公司，湖北 武漢430223

再沸器作為分餾裝置的主要熱源，是化工廠進行分餾過程的重要設備［1-2］。隨著我國化工行業的發展，再沸器的使用也越來越多。為了滿足生產需要，必須在再沸器上開孔接管［3］，此時筒體原本的連續平衡狀態遭受破壞，筒體與接管連接處會引起應力集中現象，容易對設備的正常運行產生影響，甚至可能導致事故的發生［4-5］。因此，對管口接管連接處進行應力分析研究非常必要。近年來，國內外很多研究者使用ANSYS軟件在研究壓力容器開孔相關課題上取得了一些成果，為大開口結構設計提供了參考［6-9］，本文運用ANSYS有限元分析方法，對某型號再沸器管口接管應力分布和大小進行了研究，并按照JB4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》進行強度評定［10-12］，驗證設計的安全性和合理性。

1 建立模型及有限元分析

1.1 幾何建模

再沸器因設備結構載荷條件復雜，且承受疲勞載荷，需要按照JB4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》（2005年確認版）進行分析設計。再沸器主要設計數據見表1。

表1再沸器設計數據Tab.1 Reboiler design data

再沸器各部件材質、許用應力強度、彈性模量、泊松比按照材料參數均參照GB/T 150.1～150.4-2011《壓力容器》查取，如表2所示。

表2各部件材質及其在設計溫度（t=210℃）下性能參數Tab.2 Material of each component and its performance parameters at design temperature（t=210℃）

再沸器管箱筒體規格為ID800 mm×16 mm，接管T2規格為φ508 mm×16 mm，補強圈厚度18 mm。T2接管位于管程側，考慮到T2接管設計工況、操作工況及安裝工況下管口載荷的大小和方位不盡相同，按最苛刻工況（工況下管口載荷的最大值）進行分析計算。接管T2位于管箱筒體上，考慮到接管幾何結構和載荷，分析采用局部模型，包括筒體、T2接管及補強圈，建立三維結構靜力分析模型。

1.2 模型網格劃分

在有限元分析中，采用8節點實體單元（SOL?ID185）對實體模型進行網格劃分，筒體、接管及補強圈沿厚度方向劃分3層單元，筒體、接管及補強圈模型單元數共計61 212，整個模型節點數總計79 914。有限元網格模型如圖1所示。

1.3 邊界條件設置與加載

1.3.1 邊界條件在柱坐標系下，約束管箱筒體端部節點的軸向位移和環向位移，施加約束后有限元模型如圖2所示。

圖1管口接管有限元模型：（a）局部，（b）局部半剖面Fig.1 Finite element model of nozzle joint：（a）local nozzle joint，（b）partial semi-section nozzle joint

圖2邊界條件Fig.2 Boundary conditions

1.3.2 負載承壓面施加內壓，即設計壓力：P1=1.45 MPa，T2管口端面平衡載荷為-12.07 MPa，殼體端面平衡載荷為-23.81 MPa。T2接管管口管道x、y、z方向上外載荷Fx、Fy、Fz以及力矩Mx、My、Mz如表3所示。有限元模型載荷如圖3所示。

表3 T2接管外載荷（工況取最大值）Tab.3 External load of nozzle T2（each working condition with maximum value）

圖3載荷：（a）管道外載，（b）內壓Fig.3 Load：（a）outside load of pipeline，（b）internal pressure

2 有限元計算結果及評定

2.1 有限元結果

基于最大切應力理論，引起材料屈服的主要因素是最大切應力，所以在此我們選用TRESCA等效應力作為判斷的標準。有限元分析求解得到的整體結構及各部件的TRESCA應力云圖，如圖4所示。

由應力云圖可知，結構的等效當量應力最大值出現在接管與筒體連接處筒體一側的外表面，最大當量應力值為317.689 MPa。由于管口接管的存在破壞了材料的連續性，導致筒體接管連接處產生應力集中現象。而且，由于材料的不連續使得接管連接處在內壓的作用下會產生邊緣應力，所以接管連接處應力最大，此處是最危險的區域，最容易發生強度失效［13-15］。

2.2 應力評定

根據JB4732《鋼制壓力容器——分析設計規范》對上述模型進行應力強度評定。一次局部薄膜應力強度極限為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）。應力強度按照SI≤1.5KSm，SⅣ≤3.0KSm判定。

1）筒體從筒體的Tresca等效應力云圖4（c）可知，結構的最大等效當量應力值位于筒體與接管連接處，最大等效當量應力值為174.044 MPa。選取筒體最大應力位置上的路徑SCL1、SCL2進行應力評定，應力評定路徑如圖4（c）所示，應力線性化結果分析如表4所示。

2）接管T2從大開孔接管結構的Tresca等效應力云圖4（d）可知，結構的最大等效當量應力值位于筒體與接管連接處，最大等效當量應力值為317.689 MPa。選取接管T2最大應力位置上的路徑SCL3、SCL4、SCL5進行應力評定，應力評定路徑如圖4（e）所示，應力線性化結果分析如表4所示。

圖4 Tresca等效應力云圖：（a）整體結構，（b）接管半剖面，（c）筒體，（d）管口接管局部T，（e）管口接管局部半剖面Fig.4 Contour plots of Tresca equivalent stress：（a）overall structure of nozzle，（b）nozzle's semi-section，（c）cylinder，（d）local T of nozzle joint，（e）partial semi-section of nozzle joint

表4各路徑下評定結果Tab.4 Evaluation results under each path

通過以上分析結果可知，此工況下筒體、接管的結構滿足強度要求。

3 結論

1）通過有限元分析軟件對再沸器管口接管處的應力分析，可以得知結構的最大應力出現在接管與筒體連接處筒體一側的外表面，最大當量應力值為317.689 MPa，其他位置應力值均低于此處，因此該位置較其他位置更容易發生損傷或者破壞，屬于危險區域。對此我們應該在滿足正常工況的情況下盡可能增大壁厚，合理設置補強圈來提高結構的強度。

2）依據JB4732《鋼制壓力容器——分析設計規范》對管口接管選取的5條危險路徑進行強度評定，結果表明強度均在允許范圍內，滿足設計要求，驗證了結構的安全性和合理性，為下一步再沸器管口接管結構優化設計提供了理論基礎。