摘要：針對氨合成塔底部開孔處存在應力集中的現(xiàn)象，利用SolidWorks軟件建立氨合成塔底部結構的三維模型，并采用Simulation模塊對其進行有限元分析，得到氨合成塔底部結構的應力、應變及位移云圖。結果表明，氨合成塔底部開孔結構處有應力集中的現(xiàn)象，最大應力約為99.2MPa，最大應變?yōu)?.95×10-3，最大位移量約為0.3mm。有限元法分析設計較為快捷方便，可為氨合成塔結構的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

關鍵詞：氨合成塔 開孔結構 有限元分析

1 概述

氨合成塔是石油化工生產(chǎn)中廣泛使用的高壓設備，主要用于高壓、高溫條件下氮氣和氫氣的催化反應以進行氨的合成[1，2]。氨合成塔是一種結構復雜的高壓反應器，由于開孔處的結構造成了氨合成塔筒體的幾何不連續(xù)性增加，這就容易造成開孔處出現(xiàn)破壞導致氨合成塔反應器失效[3-5]。本文利用SolidWorks建立氨合成塔底部開孔處的模型，利用Simulation模塊對該模型進行有限元分析，獲取氨合成塔在正常工況下的應力、應變云圖。通過有限元分析，可為氨合成塔的優(yōu)化設計提供一定的參考。

2 分析模型的建立

本文研究的氨合成塔的型號為托普索型。托普索氨合成塔是一種徑向流動冷激型的氨合成塔，氣流在塔內(nèi)呈徑向流動，塔內(nèi)床層溫度控制是采用冷激氣與催化劑內(nèi)反應氣直接混合來達到的[7，8]。

該設備是一臺長15900mm的立式高壓反應器，內(nèi)徑為Φ3400mm；外殼結構形式為鍛焊結構，直段筒體厚度為198mm的鋼錠鍛制而成；上下封頭為球形封頭，上封頭厚度為120mm，下封頭厚度為130mm。工藝操作溫度377℃，操作壓力13.6MPa，介質(zhì)為氫氣、氮氣及氨等。設計壓力15.9MPa，設計溫度450℃，材料采用16MnR。設計溫度下需用應力為140MPa，彈性模量2×105MPa，泊松比0.3。

利用SolidWorks建立氨合成塔底部開孔處的模型如圖1所示，該模型左側開口為氣體出口；中間為氣體入口；右側為人孔，用于設備的維護。

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Simulation是SolidWorks公司推出的一套有限元分析軟件，它作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成。運用Simulation，可以迅速得到分析結果，從而最大限度的縮短產(chǎn)品設計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

將在SolidWorks中建立好三維模型導入Simulation模塊進行有限元分析。根據(jù)設計要求，選擇材料類型，施加載荷（包括溫度載荷）及約束，劃分網(wǎng)格。有限元分析模型如圖2所示。網(wǎng)格劃分品質(zhì)較高，單元數(shù)為21918，節(jié)點數(shù)為39155。

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3 結果與分析

加載求解后得到氨合成塔底部結構的應力云圖、應變云圖及位移云圖。圖3為應力云圖的剖視圖，由圖可看出，在氨合成塔底部開孔結構處應力較為集中，有較大應力值，最大應力約為99.2MPa，小于許用應力值140MPa。這是由于氨合成塔底部開孔處存在結構上的突變，導致出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，故在開孔結構處常常采用加厚來保障其安全性；同時，在結構突變處采取過渡結構，以減小應力集中的現(xiàn)象。

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圖4為氨合成塔底部開孔結構處的應變云圖。由圖可知，氨合成塔底部開孔結構處的最大應變值出現(xiàn)在底部接近于開孔部分的球面處，最大應變值為1.95×10-3。這是由于開孔處應力比較集中，導致附近結構易發(fā)生較大的變形。圖5為氨合成塔底部開孔結構處的位移云圖。由圖可知，氨合成塔底部開孔結構處位移量較大，最大位移量約為0.3mm。

4 結論

通過SolidWorks軟件建立氨合成塔底部開孔結構的三維模型，并利用Simulation模塊對其進行了有限元分析，得到氨合成塔底部開孔結構處的應力、應變及位移云圖。結果表明，氨合成塔底部開孔結構處有應力集中的現(xiàn)象，導致附近應變及位移值較大；最大應力為99.2MPa，最大應變?yōu)?.95×10-3，最大位移量約為0.3mm。分析結果滿足設計要求，可為氨合成塔的優(yōu)化設計提供一定的依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳曙光，李丁，劉薈瓊等.氨合成塔底部五通有限元分析[J].化工設備與管道，2010，47（6）：19-21，26.

[2]劉伯玉，丁傳安.基于ANSYS的氨合成塔球形封頭的優(yōu)化設計[J].化工機械，2010，37（6）：723-725.

[3]白海永，傅吉坤，周大坤等.氨合成塔外殼雙錐環(huán)密封結構的分析[J].壓力容器，2008，25（4）：24-27，48.

[4]鄒軍，江楠，毛苗等.氨合成塔非徑向接管有限元分析與強度評定[J].化肥工業(yè)，2012，39（1）：34-37.

[5]丁傳安.氨合成塔結構分析與優(yōu)化設計[D].東南大學，2005.

[6]SolidWorks+Motion+Simulation建模/機構/結構綜合實訓教程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[7]吳萍.180kt/a氨合成塔的設計與應用[J].化肥設計，2006，44（4）：23-26.

[8]甘夢書.徑向氨合成塔數(shù)學模型及仿真研究[D].華東理工大學，1998.

作者簡介：陳麗莉（1978-），女，講師。