盛長海

（亞洲硅業(yè)（青海）有限公司，青海 西寧 810007）

冷氫化流化床反應(yīng)器筒體與封頭焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

Stress analysis ofwelded structures between cold hydrogenation f uidized bed reactor cylinder and head

盛長海

（亞洲硅業(yè)（青海）有限公司，青海 西寧 810007）

流化床反應(yīng)器是多晶硅冷氫化工藝生產(chǎn)過程中的核心設(shè)備。本文針對該設(shè)備的設(shè)計規(guī)范、材料要求，從焊接模型應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核，提出了有效的焊接方案，保證了流化床反應(yīng)器的使用性能和安全性能。

流化床反應(yīng)器；筒體 ；封頭；焊接模型；應(yīng)力；強(qiáng)度

0 引言

冷氫化技術(shù)是將多晶硅生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物四氯化硅同步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)多晶硅所需要的中間原料三氯氫硅，實現(xiàn)物料的閉路循環(huán)，此工藝不僅徹底解決了多晶硅生產(chǎn)尾氣污染環(huán)境問題，而且實現(xiàn)了四氯化硅等副產(chǎn)物的回收利用，大大降低了生產(chǎn)成本。

流化床反應(yīng)器是冷氫化工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其流化床反應(yīng)器的材質(zhì)通常選用N08810系列合金，筒體與球形封頭均為焊接而成。根據(jù)薄壁殼體無力矩理論，球形封頭的壁厚約為圓筒體壁厚的一半，二者厚度相差較大。根據(jù)GB150焊接結(jié)構(gòu)，可以采用堆焊方法將球形封頭薄殼邊緣局部加厚，焊成平滑的切線曲面補(bǔ)強(qiáng)悍接模型，使過渡段應(yīng)力降低到最小值，滿足過渡段焊接的設(shè)計要求。

1 焊接模型（圖1）

假設(shè)流化床反應(yīng)器設(shè)計壓力為3 MPa，設(shè)計溫度為590 ℃，筒體內(nèi)半徑R1=1 000 mm，壁厚t1= 70 mm；球形封頭內(nèi)半徑R2=1 010 mm，厚度t2= 45 mm。過渡段長度L≥（t1-t2）/2×3，L取90 mm，過渡段切線曲面補(bǔ)強(qiáng)焊接模式見圖2。

2 筒體與封頭連接模型二維應(yīng)力分析

假設(shè)只考慮連接處應(yīng)力計算，可采用二維軸對稱模型。封頭與筒體的壁厚不同，采用切線堆焊連接而成。二維軸向應(yīng)力最大值為53.1 MPa，徑向應(yīng)力最大值為48.7 MPa，環(huán)向應(yīng)力最大值為61.9 MPa。在筒體內(nèi)壁，Von Mises最大應(yīng)力為57.2 MPa，由圖3所示，Tresca最大應(yīng)力為66 MPa，見圖4。

圖1 高壓容器簡體與封頭連接處結(jié)構(gòu)

圖2 切線曲面補(bǔ)強(qiáng)焊接模式

圖3 Von Mises應(yīng)力

圖4 Tresca應(yīng)力

3 筒體與封頭切線補(bǔ)強(qiáng)堆焊模型三維應(yīng)力分析

流化床反應(yīng)器由于是軸對稱，且上下對稱（略去管道分布不同）故采用1/8的計算模型。Von Mises最大應(yīng)力值和所在位置與二維計算結(jié)果一致，如圖5所示。Tresca最大應(yīng)力值和位置與二維計算結(jié)果一致，如圖6所示。

4 強(qiáng)度校核

筒體材料屬于塑性破壞（失效），故選擇第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件。不發(fā)生塑性屈服的強(qiáng)度條件：

σv=56.7 MPa

UNS N08810/W.Nr.1.4958常溫下的屈服極限為：σ0.2=1 800 kg/cm2=180 MPa

屈服安全系數(shù)ns=σ0.2/σv=180/56.7=3.17

這樣的安全系數(shù)是滿足要求的。

圖5 Von Mises最大應(yīng)力值和所在位置與二維計算的結(jié)果

圖6 Tresca最大應(yīng)力值和位置與二維計算的結(jié)果

5 結(jié)論

通過筒體伸長削邊和球形封頭薄殼邊緣局部加厚，焊成平滑的切線曲面補(bǔ)強(qiáng)焊接模型，使過度區(qū)域應(yīng)力降低到較小值。切線堆焊Von Mises最大應(yīng)力57.2 MPa，Tresca最大應(yīng)力66.6 MPa，均滿足設(shè)計溫度下N08810的許用應(yīng)力，切線堆焊的最大應(yīng)力不在過渡段的焊縫連接處。最大應(yīng)力均在允許的范圍之內(nèi)，滿足了過渡段焊接的設(shè)計要求。

［1］ GB150.3-2010設(shè)計（附錄D：焊接接頭結(jié)構(gòu)）.

［2］ 宋四兵，吳勇，郭俊霞. 多晶硅冷氫化反應(yīng)器NUS NO8810厚壁封頭焊接工藝研究. 石油和化工設(shè)備，2012.10.

TQ264

1009-797X （2015） 16-0047-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.11

盛長海（1975-），男，學(xué)士學(xué)位，工程師，研究方向為多晶硅生產(chǎn)管理。

2015-06-28