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1、加氢反应器h型锻件与裙座连接 侧厚度的确定作者：日期:作者:崔静高炳军张及瑞王俊宝摘要:采用有限元法对加氢反应器h型锻件与筒体、封头及裙座连接区进行了机械应力与温 度应力分析，并对关键位置进行了应力评定，发现h型锻件与裙座连接侧的厚度不能仅根 据JB4 71019 9 2钢制塔式容器确定的裙座厚度决定，而应按分析设计的观点进行应 力分析，以充分考虑h型锻件与裙座间变形协调所引起的边缘应力及温度应力进而确定h 型锻件与裙座连接侧的合理厚度。金关键词:加氢反应器;裙座;分析设计；变形协调；温度 应力1前言4加氢反应器是石油产品加工中的关键设备，在下封头处通常采用h型锻件（图1 ）。h型锻件 上部连
2、接筒体，下部连接封头及裙座。h型锻件的三个基本厚度一般设计为分别等同于筒体、 封头及裙座的厚度。虽然加氢反应器按分析设计标准设计，但由于裙座是非受压元件其厚 度一般仍依据J B 47 1 01992钢制塔式容器1 进行设计计算，然而用此厚度确定h型 锻件裙座连接侧厚度却未必妥当。主要原因在于，加氢反应器主体所承受的压力较高，裙座 与加氢反应器主体连接势必存在边缘应力，而且在一定的压力范围内，这种边缘应力会很大， 同时温度应力的存在使连接区的应力状况更为复杂。因此，应当以根据JB47101992确 定裙座厚度为参考，对该部位进行详细的应力分析，按分析设计的方法进行应力评定，以便合 理的确定h型锻
3、件裙座连接侧厚度。4图1 h型锻件结构示意图笔者以一台在用年产60万吨汽柴油加氢精制反应器为例，利用ANSYS有限元程序进行 应力分析与评定，并确定其h型锻件裙座连接侧的合理厚度。42 h型锻件应力分析42.1加氢反应器原始设计条件及尺寸44设计条件为设计压力P= 8.83MPa，设计温度T =347C；材料为锻钢2. 2 5Cr-1Mo;设计温度下许用应力强度Sm = 115.5MPa。4原始尺寸为筒体内半径R1 = 1 4 06.5 mm,壁厚tl = 87 mm；球封头内半径R2 = 1424 mm,壁厚t 2 =52 mm；裙座壁厚t3= 22 mm;过渡圆角半径r= 2 0mm,锻造
4、 高度H = 56 8 mm。其中裙座厚度满足JB471 0199 2要求。2.2有限元计算模 型4(1)机械应力计算模型A机械应力计算模型如图2所示，采用轴对称模型，其中与h型锻件连接的筒体及裙座的长 度足够长，远大于2.5倍2、3的边缘应力衰减长度。由于主要讨论h型锻件连接区的应力分布规律，忽略了下封头的开孔接管。载荷及约束见 图2,其中，筒体端部以面力P1模拟封闭筒体受力情况。(2)机械应力加热应力计算模型机械应力加热应力计算模型如图3所示，图中填充部分为保温层，保温层厚度为18 0mm, 进行热应力分析时采用8节点四边形热单元(plane55) 4。 /边彤进界3图3机械应力加热应力计
5、算模型在边界1上为保温层与空气,以及裙座与空气的对流边界，边界2为加氢反应器内部流体介 质与容器器壁的对流边界，边界3为绝热边界。皿介质温度为Tf = 3 4 7C,空气温度为 T3 = 20C,实测容器外壁温度为T1 = 325 C,空气对流传热系数为al = 1 2W/m2-C,保温层(微孔硅酸钙)热传导系数为入1=0 .134W/ mC,h型锻件的热传导系数为入2= 35W/m-Co a内部流体介质与容器器壁的对流传热系数可根据实测容器壁温、介质温度，用逆推法得出。对于圆筒定态热传导，通过各层的热传导速率都是相同的。热传导速率方程式5如下：- AS 班如比晋式中Q1热传导速率,W a入热
6、传导系数,W/mC a r圆筒半径,mS圆筒内外壁表面积,m2 a对于对流传热，其对流传热速率方程5如下：Q2 = aSt (3) aa式中Q2对流传热速率,W Aa对流传热系数,W / m2-C t流体与壁面间的温度差，C aa对于圆筒定态热传导，通过各层的传热速率都是相同的，所以Q 1 =Q2，由此推出介质的对流换热系数a=1 4W/m2-Co a2 .3计算结果及分析a利用该模型的原始尺寸进行计算，第三强度理论相当应力等值线云图如图4、5所示。1 J71 mAll 111 3&I图4原设计机械应力云图a图5原设计机械应力加热应力云图由图4及图5的云图可见，对于h型锻件这种特殊的结构形式，
7、原设计情况下，h型锻 件裙座连接区外侧由于变形协调应力水平较高。由图4及图5的云图可见，对于h型锻件这 种特殊的结构形式，原设计情况下,h型锻件裙座连接区外侧由于变形协调应力水平较高。a选取截面1-1、2 - 2（图6）进行应力评定，其中截面1- 1对应纯机械应力时的最大应力 点，截面2- 2对应机械应力加热应力时的最大应力点。评定结果（见表1）表明原设计结构应 力水平超标，不能满足分析设计应力评定标准的要求。3型锻件裙座连接侧厚度合理确定aa由上述应力分析与评定可见,h型锻件裙座连接侧的厚度不宜直接根据由JB47 101992钢制塔式容器计算得到的裙座厚度来确定，而应 以其为参考,进行详细的
8、应力分析并评定，进而确定锻件裙座连接侧的合理厚度。笔者利用 AN SYS提供的APDL语言，进行参数化建模，并利用其OPT模块进行搜索寻优，确定h型 锻件裙座连接侧的合理厚度。金3. 1参数化建模a进行有限元分析的标准过程包括:定义模型及其载荷、求解和解释结果，假如求解结果表明 有必要修改设计，那么就必须改变模型的几何形状并重复上述步骤，特别当模型较复杂或修 改较多时，这个过程可能很繁杂和费时。ANSYS参数设计语言用建立智能分析的手段提 供了自动完成上述循环的功能，只要改变要修改的参数值，其余参数就可以随之改变，从而达 到改变模型几何形状的目的。a在本文所讨论的问题中，h型锻件的应力水平主要
9、与裙座连接侧厚度t3有关。以t3为设 计变量，利用ANSYS提供的OPT模块进行搜索寻优,可得到合理的h型锻件裙座连接侧 厚度。a3.2计算结果a当单纯考虑机械应力时，h型锻件裙座连接侧厚度t3=22mm即可满足分析设计评定要求， 但当施加温度载荷以后，应力增大，该厚度不能满足评定要求，为此确定该厚度不仅要考虑 机械以及机械应力的情况下进行应力计算，得出裙座应力，还需温度应力。所以在综合考虑 温度应力厚度t3与模型最大当量应力之间的关系曲线如图7所示。图1裙座连接侧厚度与最大当量应力关系从图7可以看出最大当量应力随着支撑厚度的增大而减小，当裙座支撑厚度为3 3 mm时， 已经可以满足应力要求，
10、所以可以确定t3=3 3mm。a将原设计h型锻件外侧与h型锻件裙座连接侧厚度优化后外侧的应力分布曲线进行比较， 如图8所示，图中左侧为机械应力与温度应力综合作用下的应力分布曲线，右侧为机械应力 作用下的应力分布曲线。从图8可以看出,优化后模型的应力水平明显降低。力分布曲线同时对图6中1- 1、2-2截面进行了应力评定，优化后结构可满足评定要求，评定结果见表1。1-11-21 -11-21-12-21- 12-1253.6174.1内内210.2143-.2L2.2150.83TO.01应力罢度评定忒3乳2乩4结论a对于加氢反应器这种特殊的h型锻件，由于其工作在压力、温度较高的环境下，筒体及封头
11、 自由变形较大,h型锻件与裙座变形协调过程中会在连接处产生较大边缘应力,同时温度应力 的存在使连接处的应力提高。h型锻件裙座连接侧的厚度不宜根据JB4 7 1 01992钢 制塔式容器计算所得厚度进行确定，而应以其为参考,进行应力分析，按分析设计要求合 理确定h型锻件裙座连接侧的厚度。a参考文献：1 JB47101 9 92，钢制塔式容器S. a 2 JB473219 9 5,钢制压力容器分析设计标准（第一版）S.3贺匡国. 压力容器分析设计基础M北京:机械工业出版社，1 9 95 a 4王国强.实 用工程数值模拟技术及其在ANSYS 上的实践M西安洒北工业大学出版社1 9 9 9 a 5 姚玉英.化工原理M天津:天津大学出版社1999作者简介：崔静（1 9 78 ），2000年毕业于河北工业大学化工过程机械专业，河北工业大学在读硕士研究生，研究方向为压力容器结构优化与CAD,通讯地址：河北工业大学化 工过程机械教研室3 0 0信箱。(end)
