王建強

(1.北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100076；2.北京航天動力研究所，北京 100076)

隨著百萬噸級乙烯裝置的出現(xiàn)，與之相適應的大型裂解爐技術也得到了長足進步，裂解氣閥主要應用于裂解爐裝置中，是裂解工藝的核心設備之一，其安裝在裂解爐出口，控制裂解爐和下游設備的通斷。閥體作為裂解氣閥的重要承載基體，其性能穩(wěn)定、安全，是確保裂解氣閥正常運行的前提。由于裂解氣閥閥體結(jié)構(gòu)復雜，需要基于AWE協(xié)同優(yōu)化分析平臺進行閥體結(jié)構(gòu)分析，以優(yōu)化閥體結(jié)構(gòu)性能。筆者結(jié)合鎮(zhèn)海煉化項目10 號爐48寸裂解氣閥的實際使用工況(閥腔溫度343 ℃，壓力0.5 MPa(g)，流道溫度208 ℃，壓力0.36 MPa(g))，首先對米字形閥體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，以閥體集中應力處的最大等效應力為目標函數(shù)[1]，結(jié)合閥體壁厚、筋板厚度和筋板位置等參數(shù)進行有限元優(yōu)化分析設計，得到米字形閥體最優(yōu)化結(jié)果；然后采用相同的優(yōu)化分析方法，對井字形閥體結(jié)構(gòu)進行有限元優(yōu)化計算得到井字形閥體最優(yōu)化結(jié)果；對比井字形閥體和米字形閥體的等效應力分布情況，優(yōu)化分析兩種閥體結(jié)構(gòu)的應力分布情況。

1 閥體材料性能

閥體材料為15CrMo，材料參數(shù)見表1。

表1 閥體材料參數(shù)

2 閥體結(jié)構(gòu)模型

閥體模型在ANSYS Workbench中建立。由于裂解氣閥為多零件結(jié)構(gòu)，閥體上有涉及與其他零件對接的結(jié)構(gòu)，在不對閥體應力有較大影響的前提下對閥體進行了一定的簡化，米字形和井字形閥體模型見圖1。

圖1 裂解氣閥閥體模型

3 閥體溫度場計算

裂解氣閥內(nèi)工作介質(zhì)為高溫氣體，在運行工況下閥腔內(nèi)部充滿高溫工作介質(zhì)，熱量通過對流換熱和熱傳導向外傳遞，閥內(nèi)介質(zhì)與閥體間對流換熱系數(shù)為40 W/(m2·℃)，閥體與外部大氣間換熱系數(shù)為7.42 W/(m2·℃)，按工作工況對閥體進行穩(wěn)態(tài)熱分析，米字形閥體和井字形閥體的溫度分布見圖2和圖3。

圖2 米字型閥體溫度分布

圖3 井字形閥體溫度分布

結(jié)果顯示，米字形閥體和井字形閥體的最高溫度點位于閥腔內(nèi)壁，最低溫度點位于筋板與法蘭的連接處。

4 閥體邊界條件和載荷

裂解氣閥在線運行時管線內(nèi)壓為0.36 MPa(g)，閥腔內(nèi)壓為0.5 MPa(g)，管線對閥門法蘭的作用載荷見表2，閥門的出口法蘭端面施加固定約束，忽略中法蘭螺栓預緊力和閥體自重。米字形閥體和井字形閥體載荷見圖4和圖5。

圖4 米字形閥體載荷情況

圖5 井字形閥體載荷情況

表2 法蘭上的管道載荷

5 米字形閥體強度的有限元分析

本文進行米字形閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得到米字形閥體等效應力最小化的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時研究米字形閥體結(jié)構(gòu)和井字形閥體結(jié)構(gòu)在相同材料、相同工藝參數(shù)和面心距尺寸條件下，兩種閥體各自在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)時應力分布效果，首先將基于米字形閥體結(jié)構(gòu)進行有限元優(yōu)化設計。

5.1 米字形閥體優(yōu)化分析計算結(jié)果

按照第四強度理論求得米字形閥體等效應力(見圖6)，閥體最大等效應力為190.49 MPa，最大等效應力接近于閥體材料設計條件下的屈服強度范圍。由于進出口法蘭與筋板的相貫位置壁厚和形狀都有突變，因此在該位置會產(chǎn)生明顯的應力集中問題[2]。為提高閥門的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，有必要對閥體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改善閥體應力集中情況。

圖6 閥體等效應力分布云圖

5.2 米字形閥體優(yōu)化分析

5.2.1影響閥體結(jié)構(gòu)強度的參數(shù)

閥體結(jié)構(gòu)和筋板結(jié)構(gòu)為對稱分布，因此取1/4閥體的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，影響閥體應力分布的優(yōu)化輸入?yún)?shù)見表3，閥體優(yōu)化輸出參數(shù)見表4。

表3 閥體優(yōu)化輸入?yún)?shù)

續(xù)表

表4 閥體優(yōu)化輸出參數(shù)

5.2.2閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了改善閥體的應力集中問題，文中以閥體應力集中處的最大等效應力值實現(xiàn)最小化為優(yōu)化目標[3]，以影響閥體應力分布的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設計輸入變量，對閥體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。

(1)靈敏度分析。通過對閥體進行優(yōu)化計算，得到設計輸入變量的靈敏度響應(見圖7)。由靈敏度分析圖可知，閥體的P13、P16、P12對整個閥體應力的靈敏度影響較大，P13對閥體重量的靈敏度影響較大。

圖7 靈敏度響應圖

(2)參數(shù)對等效應力的影響。在優(yōu)化模塊中得出響應曲線圖，其中閥體頂壁厚P10對閥體等效應力的影響見圖8，隨著閥體頂壁厚P10的增加，等效應力呈先減小后增大趨勢，在閥體頂壁厚為52.5 mm時等效應力值達到最小；閥體側(cè)壁厚P11對閥體等效應力的影響見圖9，隨著閥體側(cè)壁厚P11的增加，等效應力呈減小先減小后增大的趨勢，在閥體側(cè)壁厚為50 mm時等效應力值達到最??；筋板2位置P12對閥體等效應力的影響見圖10，當P12為37.6°時閥體等效應力最小，偏離這個值時等效應力上升很快；筋板2厚度P13對閥體等效應力的影響見圖11，隨著筋板2厚度P13的增加，閥體等效應力快速降低，當P13為56.25 mm時閥體等效應力最小，當筋板2厚度繼續(xù)增加，閥體等效應力隨之增大，但增大的程度較??；參數(shù)P14、P15、P16、P17的響應圖類似P10的分布規(guī)律，閥體等效應力呈現(xiàn)隨參數(shù)增加先減小后增大的趨勢。

圖8 P10對閥體等效應力影響

圖9 P11對閥體等效應力影響

圖10 P12對閥體等效應力影響

圖11 P13對閥體等效應力影響

圖12 P10和P11應力強度設計空間分析

圖13 P14和P17應力強度設計空間分析

(3)優(yōu)化結(jié)果及分析。輸入變量P10和P11應力強度設計空間分析見圖12，閥門的最大應力由216 MPa降到188 MPa，降低了13%；輸入變量為P14和P17應力強度設計空間分析見圖13，閥門的最大應力由213 MPa降到189 MPa，降低了11.3%；其他的幾個變量應力強度設計空間結(jié)果為：輸入變量為P12和P13的最大應力降低24%；輸入變量為P15和P16的最大應力降低19.1%。

經(jīng)過有限元優(yōu)化程序?qū)τ绊戦y體強度8個優(yōu)化參數(shù)的分析，得到了閥體結(jié)構(gòu)改進后的參數(shù)，閥體結(jié)構(gòu)改進前后參數(shù)對比見表5。

表5 米字形閥體結(jié)構(gòu)改進前后結(jié)果

按照表5對閥體模型進行改進，閥體材料、約束、載荷、網(wǎng)格劃分設定與改進前相同，改進后更新了網(wǎng)格劃分結(jié)果和應力計算結(jié)果，改進后應力計算結(jié)果見圖14，改進后閥體的等效應力最大值仍然在法蘭與筋板相貫位置，但是最大應力減小為180.39 MPa，優(yōu)化使最大等效應力減小了5.3%，改善了閥體的強度，滿足強度要求。

圖14 米字形閥體優(yōu)化后等效應力云圖

6 井字形閥體強度的有限元分析

按照米字形閥體相同的優(yōu)化方法對井字形閥體進行了有限元優(yōu)化分析，井字形閥體與米字形閥體的材料、工藝參數(shù)、閥體面心尺寸與米字形閥體相同，優(yōu)化過程中的數(shù)據(jù)分析不再詳述，下文中給出了優(yōu)化過程中的重要參數(shù)和結(jié)果。

(1)井字形閥體對應力分布有影響主要參數(shù)見圖15，以此作為優(yōu)化設計輸入?yún)?shù)，優(yōu)化前閥體等效應力分布情況見圖16。

圖15 井字形閥體參數(shù)

圖16 井字形優(yōu)化前閥體等效應力分布情況

(2)井字形閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后結(jié)果見表6。

表6 井字形閥體結(jié)構(gòu)改進前后對比

井字形閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后等效應力分布情況見圖17，改進后閥體的等效應力最大值同樣在閥體與筋板相貫位置，但是最大應力降至125 MPa，比優(yōu)化前最大等效應力減小了39%，保證了閥體的強度，滿足設計條件要求。

7 米字形閥體與井字形閥體對比分析

在米字形閥體和井字形閥體的材料、工藝參數(shù)和法蘭面心距尺寸相同的條件下，對比優(yōu)化后閥體等效應力最大值和等效應力分布情況，從圖14和

圖17對比可以看出，兩種閥體結(jié)構(gòu)的等效應力最大值位置都是進出口法蘭與筋板的相貫位置，此處由于法蘭和筋板的壁厚、形狀都發(fā)生突變，因此出現(xiàn)明顯的應力集中問題；井字形閥體結(jié)構(gòu)能達到的等效應力最大值為125.1 MPa，比米字形閥體等效應力最大值180.39 MPa低30.7%；井字形閥體結(jié)構(gòu)比較應力分布相對米字形閥體結(jié)構(gòu)更為均勻，閥體的結(jié)構(gòu)強度更好。

圖17 優(yōu)化后閥體等效應力分布情況

8 結(jié)語

(1)本文利用 Workbench 的響應面優(yōu)化方法以米字形閥體的8個結(jié)構(gòu)參數(shù)為設計變量進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的閥體強度得到了提升，最大等效應力降低了5.3%，閥體性能有效提升。

(2)利用 Workbench 的響應面優(yōu)化方法以井字形閥體的9個結(jié)構(gòu)參數(shù)為設計變量進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的閥體應力集中處最大等效應力降低了39%。相較于米字形閥體，井字形閥體的等效應力分布更加均勻，井字形閥體等效應力最大值比米字形閥體低了30.7%，在相同條件下，井字形閥體的強度性能更好。