夾套反應(yīng)釜開(kāi)孔接管區(qū)的應(yīng)力與疲勞分析*

楊述威，楊 俠，張 剛，楊 清

(1.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.武漢鑫鼎泰技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

反應(yīng)釜廣義上可理解成有化學(xué)性或物理性反應(yīng)的不銹鋼容器。通過(guò)對(duì)反應(yīng)容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)配置，可以滿足不同工藝需求[1]。夾套反應(yīng)釜是一種用來(lái)完成多種工藝過(guò)程的典型反應(yīng)設(shè)備，但由于反應(yīng)釜操作壓力比較高，壓力容器長(zhǎng)期在交變載荷作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞[2]等問(wèn)題，社會(huì)上已出現(xiàn)過(guò)多起夾套反應(yīng)釜泄漏或者爆炸事故[3],因此對(duì)夾套反應(yīng)釜進(jìn)行應(yīng)力和疲勞分析，對(duì)于保障設(shè)備安全運(yùn)行具有重要的意義[4-6]。以Wang[7]為代表的研究者對(duì)夾套反應(yīng)釜的事故進(jìn)行了一系列的分析研究，同樣也有大量學(xué)者對(duì)夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，例如Belytschko[8]、李保芹[9]等。本文利用ANSYS有限元軟件對(duì)夾套反應(yīng)釜的應(yīng)力分布進(jìn)行研究，以獲得整個(gè)裝置的應(yīng)力云圖，得到最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置，并對(duì)夾套反應(yīng)釜各零部件進(jìn)行疲勞分析。

1 建立模型及有限元分析

1.1 幾何建模

夾套反應(yīng)釜主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 夾套反應(yīng)釜設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

夾套反應(yīng)釜各部件材料及其在設(shè)計(jì)溫度下的性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 部件材料及設(shè)計(jì)溫度下性能參數(shù)

在設(shè)計(jì)條件下按筒體計(jì)算壓力20 MPa、夾套計(jì)算壓力0 MPa、溫度450 ℃對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。夾套反應(yīng)釜內(nèi)筒體規(guī)格為ID 1 000 mm×65 mm，內(nèi)筒體封頭規(guī)格為HHA 1 017 mm×48(40)mm，夾套筒體規(guī)格為ID 1 330 mm×10 mm，夾套封頭規(guī)格為HHA 1 330 mm×10(8)mm。在ANSYS中創(chuàng)建模型如圖1所示。其中N1～N7、N14為內(nèi)筒體接管，N8～N13為夾套接管。

圖1 夾套反應(yīng)釜實(shí)體模型 圖2 夾套反應(yīng)釜有限元模型

1.2 模型網(wǎng)格劃分

在有限元分析中采用Solid185單元對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，內(nèi)筒體及夾套筒體模型單元數(shù)共計(jì)293 321，整個(gè)模型單元數(shù)總計(jì)375 257。夾套反應(yīng)釜有限元模型如圖2所示。

1.3 邊界條件與加載

1.3.1 邊界條件

直角坐標(biāo)系下對(duì)支座4個(gè)底板底面施加全約束。施加約束后的有限元模型如圖3所示。

圖3 邊界條件 圖4 施加載荷

1.3.2 加載

筒體內(nèi)表面施加內(nèi)壓，即設(shè)計(jì)壓力20.0 MPa，設(shè)備重量為33 500 kg。各接管端面平衡載荷依次為：PN1=-41.53 MPa、PN2=-41.53 MPa、PN3=-7.23 MPa、PN4=-7.23 MPa、PN5=-4.76 MPa、PN6=-7.66 MPa、PN7=-4.76 MPa、PN14=-4.76 MPa。施加載荷后的力學(xué)模型如圖4所示。

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析結(jié)果

設(shè)計(jì)工況下筒體側(cè)單獨(dú)受壓時(shí)整體結(jié)構(gòu)及各部件的Tresca應(yīng)力云圖如圖5～圖7所示。

圖5 整體結(jié)構(gòu)Tresca等效應(yīng)力云圖 圖6 筒體Tresca等效應(yīng)力云圖 圖7 夾套Tresca等效應(yīng)力云圖

在承壓結(jié)構(gòu)中，從圖6可知：筒體結(jié)構(gòu)的最大當(dāng)量應(yīng)力值為525 MPa，位于N2接管與筒體連接處。這是由于：①開(kāi)孔導(dǎo)致筒體材料的連續(xù)性遭到破壞，使原有承載面積減小，筒體與接管連接處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；②焊縫導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，從而形成局部不連續(xù)應(yīng)力。接著使用不同尺寸的實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行收斂性驗(yàn)證，證明此模擬結(jié)果是可靠的。

從圖7可知：夾套結(jié)構(gòu)的最大當(dāng)量應(yīng)力值為263.16 MPa，位于夾套與筒體連接處。這是由于夾套與筒體連接處曲率發(fā)生突變，在此處產(chǎn)生了邊緣應(yīng)力。接著使用不同尺寸的實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行收斂性驗(yàn)證，證明此模擬結(jié)果是可靠的。

2.2 疲勞分析結(jié)果

按照夾套內(nèi)壓力保持恒定Pj=0.4 MPa，溫度為400 ℃，筒體內(nèi)壓力變化從0至16.0 MPa再降回0的壓力交變載荷工況下對(duì)本設(shè)備進(jìn)行疲勞分析。整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果

由圖5～圖7可知：對(duì)于筒體，最大當(dāng)量應(yīng)力位于N2接管與筒體連接位置處；對(duì)于夾套，最大當(dāng)量應(yīng)力位于內(nèi)筒體與夾套筒體連接位置處，此處為該反應(yīng)釜最易發(fā)生疲勞失效位置，因此就該位置允許出現(xiàn)的交變應(yīng)力幅值進(jìn)行分析。

2.2.1 筒體

圖9為內(nèi)筒體應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果。由圖9可知：結(jié)構(gòu)最大交變應(yīng)力幅值△σ=273.28 MPa。

圖9 內(nèi)筒體應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果

其當(dāng)量交變應(yīng)力幅值為：

Salt1=0.5△σ×(ε1/ε1t).

(1)

其中：ε1為筒體的工程應(yīng)變，取值為2.1×105；ε1t為筒體的真實(shí)應(yīng)變，其值為1.84×105。

將相關(guān)參數(shù)代入公式(1)可得Salt1=155.95 MPa。

該交變應(yīng)力循環(huán)下使用系數(shù)為U1：

U1=n1/N1.

(2)

其中：n1為筒體實(shí)際循環(huán)次數(shù)，取值為3.054×105；N1為筒體總的循環(huán)次數(shù)，取值為3.83×105。

將相關(guān)參數(shù)代入公式(2)得U1=0.915<1。

2.2.2 夾套

圖10為夾套應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果。由圖10可知：結(jié)構(gòu)最大交變應(yīng)力幅值△σ=238.4 MPa。

圖10 夾套應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果

其當(dāng)量交變應(yīng)力幅值為：

Salt2=0.5△σ×(ε2/ε2t).

(3)

其中：ε2為夾套的工程應(yīng)變，取值為2×105；ε2t為夾套的真實(shí)應(yīng)變，其值為1.69×105。

將相關(guān)參數(shù)代入公式(3)可得Salt2=141.07 MPa。

該交變應(yīng)力循環(huán)下使用系數(shù)為U2:

U2=n2/N2.

(4)

其中：n2為夾套實(shí)際循環(huán)次數(shù)，取值為3.504×105；N2為夾套總的循環(huán)次數(shù)，取值為3.97×106。

將相關(guān)參數(shù)代入公式(4)得U2=0.088 3<1。

綜上所述，在正常的使用工況下，該二級(jí)反應(yīng)釜整體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)連接的局部疲勞強(qiáng)度能滿足其正常使用工況要求。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)ANSYS對(duì)夾套反應(yīng)釜進(jìn)行有限元分析得知：結(jié)構(gòu)最大當(dāng)量應(yīng)力值為525 MPa，位于N2接管與筒體連接處，是疲勞失效的最危險(xiǎn)點(diǎn)。可以通過(guò)適當(dāng)增加接管厚度來(lái)達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)效果，從而增加設(shè)備的使用壽命。

(2)ANSYS應(yīng)力分析和疲勞計(jì)算分析結(jié)果表明：夾套反應(yīng)釜疲勞強(qiáng)度能夠滿足正常工況需求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的安全性和合理性。