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高压加氢反应器结构的强度分析

发布于:2016-11-29 21:49
强度分析

      加氢反应器在炼油、在化工行业中有较为广泛的应用,在炼油工业中,高压高温加氢精制技术已经超过半个世纪的历史。该类设备承受压力高结构特殊,受力复杂,造价昂贵。使用常规设计方法往往存在材料的浪费,安定性不足等问题。使用分析设计的方法可以降低材料的安全系数,可以采用较高的许用应力,并能够对结构做出详细的应力强度分析。本研究以某化工厂加氢反应装置为例,对加氢反应器物料出口、卸料口、下封头部位采用有限元AppANSYS对该设备进行有限元分析。
      有限元分析是适应于电子计算机的使用而发展起来的数值计算方法,有限元认为:整体结构可以看作由有限个力学小单元互相连接而组成的集合,得到每个单元的解,组合起来就能得到整体结构的解。在分析求解时,必须对各个单元位移的分布做出假设,即选择一个简单的函数来近似的表达单元位移分量随坐标变化的分布规律,这种函数称为有限元位移函数。根据选定的位移模式,用节点位移表示单位内认一点的位移,其矩阵表达形式。根据所有相邻单元在公共节点上的位移相同和每个节点力与节点载荷保持平衡的原则,形成总的刚度方程。
      加氢反应器的下封头简图如图所示,主要有下封头,出料口,卸料口,法兰接管都组成。筒体内径3200mm,设计压力19.9MPa。水压试验压力主要受压元件为12Cr2Mo1VR钢板和12Cr2Mo1V,各材料均在线弹性范围内。材料在各个温度下的材料属性如表所示。出料口由于物料的原因存在管口载荷,对整体模型使用Solid186单元进行网格划分。整个模型都采用六面体网格,共计单元数27134,节点数135238。划分单元后的有限元模型如图所示。在本研究的加氢模型中,在出料口出还存在管口载荷,由于有限元AppANSYS中对实体单元Solid186不能直接施加弯矩和扭矩载荷,因此使用MPC184单元对出料口法兰处施加管口载荷。(1)上封头处施加完全固定约束;(2)物料出口施加端面载荷:P=-3.2MPa;(3)卸料口施加端面载荷:P=-20.8MPa;(4)内压载荷:设计压力P=19.9水压试压载荷P=28.9MPa;(5)物料出口法兰处施加管口载荷:FX=20kN,FY=20kN,FZ=-20kN,MX=40kNm,MY=40kNmM,MZ=40kNm。
      封头在设计压力下的第三强度当量应力云图如图所示。危险截面主要发生在封头法兰处和出料口弯管处。如图是接管法兰应力云图,法兰处的应力最大值达到了324.5MPa。这主要是由于在此区域的结构不连续引起的应力集中,此处的应力应属于局部应力,具有自限性。如图是弯管的应力云图,此处的应力主要是由于管口载荷引起的,造成了很大的弯曲应力。图如图所示。最大应力发生在封头法兰处。最大应力达到了503.3MPa。主要是由于压力在此不连续处产生的弯曲应力集中造成的。
      根据JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》将下封头、法兰、接管的危险截面进行等效线性化处理,得到在截面的上的主应力,通过主应力即可得到第三强度当量应力,并分别归为一次总体薄膜应力(PL),一次局部薄膜应力(Pa),二次应力(口),峰值应力等。路径选取的原则是通过应力最大处,并沿壁厚的最短距离处。在设计载荷下取4条路径(1-4)进行评定,在水压试验下取3条路径(5-7)进行评定,其中5-7分别对应。
      (1)出料口法兰出存在的管口载荷对出料口弯管早成了比较大的弯曲应力,(2)采用ANSYSApp能够准确反应出各个部位的真实应力状态,方法简单实用,为应力评定提供了准确的参考和依据,(3)通过计算在下封头法兰处还有一定的裕量,可以对下封头法兰进行结构上的改进和优化。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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