反應釜多接管封頭有限元分析

鄭賢中，付 杰，劉根戰(zhàn)，羅 燕, 曹吉胤，楊 俠

(1.武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

反應釜通常用來完成復雜工藝過程，本文涉及的反應釜是用來完成鋁水反應制氫工藝過程，其內(nèi)部需要承受一定強度的壓力。且反應釜的封頭部位有5個接管，中間位置接管N1是進料口，尺寸較大，較大的開孔會破壞原封頭的結(jié)構[1]，導致封頭上的應力分布產(chǎn)生變化并引起應力集中現(xiàn)象，造成材料失效，使封頭部位發(fā)生過度變形甚至破裂等[2]，這將導致反應釜內(nèi)氫氣泄漏造成重大安全問題。因此分析反應釜封頭上的應力強度具有重要意義。本文使用SolidWorks對反應釜封頭建模，使用ANSYS有限元分析軟件對其進行詳細的應力分析[3]，確保其滿足應力強度要求。接著對封頭上平齊式和內(nèi)伸式接管結(jié)構進行對比分析[4]。最后對大開孔處的結(jié)構進行優(yōu)化，選擇補強管進行補強，以降低應力，進一步保證設備的安全性。

1 有限元分析

1.1 幾何模型

此反應釜封頭的設計參數(shù)如下：設計壓力為2.2 MPa，設計溫度為200 ℃，最大內(nèi)徑為500 mm，壁厚為12 mm，主要受壓材料為S31603，材料的彈性模量E為206 GPa，泊松比μ為0.3。多接管封頭幾何模型如圖1所示，N1～N5分別是進料口、進水口、安全閥口、排氣抽真空口和氫氣出口，表1為各接管尺寸。

表1 各接管尺寸

圖1 多接管封頭幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

首先利用三維建模軟件SolidWorks對多接管封頭進行幾何建模，并對幾何模型進行簡化處理去掉接管上方法蘭。因幾何參數(shù)和載荷邊界條件均對稱，故可建立1/2模型進行分析計算，以減小網(wǎng)格數(shù)量和計算量。整體網(wǎng)格通過了收斂性驗證，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 多接管封頭網(wǎng)格劃分

1.3 載荷和約束

1.3.1 載荷

反應釜封頭內(nèi)壁和接管內(nèi)壁施加均勻分布壓力p0=2.2 MPa；在接管軸端面施加軸向平衡載荷[5]，軸向平衡載荷的計算公式為：

其中：Do為接管外徑；Di為接管內(nèi)徑。經(jīng)計算，各接管施加的軸向平衡載荷為pN1=-8.28 MPa,pN2=-4.38 MPa,pN3=-2.37 MPa,pN5=-1.76 MPa(N4與N3對稱)。

1.3.2 約束

封頭與反應釜筒體上法蘭焊接相接，所以對封頭下端面施加固定約束條件；對封頭和接管所在的對稱面施加無摩擦約束。施加載荷和邊界條件后的模型如圖3所示。

圖3 多接管封頭施加載荷和邊界條件 圖4 多接管封頭應力云圖 圖5 應力線性化路徑

2 有限元計算結(jié)果分析

2.1 應力分析結(jié)果

設計壓力下多接管封頭的整體應力云圖如圖4所示，最大應力位于封頭外壁面與接管N1相貫線上，其值為146.93 MPa。此處應力強度較大主要是由于應力集中，而應力集中產(chǎn)生原因分別有：反應釜封頭上的開孔處使得整個結(jié)構不連續(xù)；反應釜封頭與接管處是焊接，焊縫有工藝缺陷；焊接時高溫會導致局部金屬進行一次組織重組[6]。

2.2 應力評定

2.2.1 應力線性化路徑

對此多接管封頭進行應力線性化處理，對整體結(jié)構應力最大處設置兩條路徑SCL1、SCL2，接管N1應力最大處設置兩條路徑SCL3、SCL4，應力線性化路徑設置如圖5所示。

2.2.2 應力分類及評定結(jié)果

壓力容器在結(jié)構不連續(xù)區(qū)由內(nèi)壓或其他機械載荷引起的薄膜應力和結(jié)構不連續(xù)效應產(chǎn)生的薄膜應力統(tǒng)稱為一次局部薄膜應力，而總體結(jié)構不連續(xù)處的彎曲應力主要是二次應力，峰值應力僅是導致疲勞破壞和脆性斷裂的根源，故在此處不予考慮。

因此本文封頭在開孔附近由內(nèi)壓產(chǎn)生的薄膜應力屬于一次局部薄膜應力，彎曲應力屬于二次應力。

參考文獻[2]應力強度判斷準則為：

Pl≤1.5KSm=1.5×80=120 MPa；

Pl+Pb≈Pl≤1.5KSm=1.5×80=120 MPa；

Pl+Pb+Q≤3KSm=3×80=240 MPa.

其中：Sm為設計應力強度，Sm=80 MPa；K為載荷組合系數(shù)，取K=1；Pl為一次薄膜應力；Pb為一次彎曲應力；Q為二次應力。

各路徑應力線性化分布曲線見圖6，各路徑具體應力評定結(jié)果見表2。

表2 各路徑下應力評定結(jié)果

圖6 應力線性化曲線

綜上分析，此多接管封頭滿足應力強度要求。

3 大開孔結(jié)構優(yōu)化

3.1 內(nèi)伸、平齊接管強度對比

在其他結(jié)構與有限元設置相同的情況下，對內(nèi)伸式接管計算分析得出其整體應力分布如圖7所示，內(nèi)伸式接管局部結(jié)構如圖8所示。

由圖7可知，內(nèi)伸式接管結(jié)構的整體應力強度最大處仍在封頭與接管N1相貫線上，但其最大值達到了170.35 MPa，而平齊式接管結(jié)構的最大應力為146.93 MPa，較內(nèi)伸式接管結(jié)構的最大應力低13.7%。因此，此多接管封頭采用平齊式接管結(jié)構更好。

圖7 內(nèi)伸式接管整體應力云圖 圖8 內(nèi)伸式接管局部結(jié)構 圖9 補強后整體應力云圖

3.2 大開孔處結(jié)構優(yōu)化

應力集中現(xiàn)象具有以下特點：被開孔殼體的δ/D越小，應力集中情況越嚴重(δ為封頭厚度，D為孔徑)。大開孔處孔徑尺寸較大，應力集中情況較嚴重，對大開孔處進行結(jié)構補強則可以極大地改善應力集中現(xiàn)象[7]。開孔處補強結(jié)構有三種，分別是補強圈補強結(jié)構、補強管補強結(jié)構和整體鍛件補強結(jié)構，本文采用補強管補強結(jié)構。其他尺寸、結(jié)構不變，采用相同有限元分析方法分析計算，得出采用補強管補強結(jié)構后的多接管封頭的應力云圖如圖9所示。

由圖9可知，補強后的多接管封頭最大應力仍位于封頭與接管N1相貫線處，其值為113.81 MPa，相比較于未采用補強結(jié)構的最大應力146.93 MPa，最大應力降低了22.5%。因此對于此多接管封頭使用補強管補強結(jié)構可以大大降低其應力集中問題。

4 結(jié)論

(1) 以上有限元分析計算結(jié)果顯示，此結(jié)構的最大應力出現(xiàn)在封頭外壁面與接管N1相貫線上。因此此處容易發(fā)生損傷破壞，是最危險區(qū)域。通過對最危險區(qū)域和次危險區(qū)域處設定應力線性化路徑，并進行應力線性化處理和分析評定，最終確定其應力在允許范圍之內(nèi)，驗證了其設計的安全性和合理性。

(2) 通過有限元分析軟件對大開孔處接管結(jié)構做了對比分析，結(jié)果顯示采用平齊式接管結(jié)構的應力比采用內(nèi)伸式接管結(jié)構的應力低，所以選用平齊式接管結(jié)構更加合理。在此基礎上，還對大開孔處結(jié)構做了優(yōu)化，采用補強管補強結(jié)構大大降低了其大開孔處的應力，使設備安全性進一步得到提升。