鄭 偉

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

基于ANSYS的管口外載荷作用下帶彎頭接管應(yīng)力分析

鄭 偉

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

以某裝置變換爐為例，利用ANSYS對(duì)其下封頭的帶彎頭接管進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，經(jīng)計(jì)算得出該部位的應(yīng)力分布狀態(tài)，評(píng)定其強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)針對(duì)彎頭承載能力進(jìn)行安全可靠的建模分析，為工程設(shè)計(jì)和后續(xù)檢測(cè)提供理論依據(jù)及參考價(jià)值。

變換爐；彎頭；外載荷；有限元分析；應(yīng)力強(qiáng)度

變換爐是合成氨裝置中變換工段的核心設(shè)備之一，其作用是將氣化單元來的水煤氣在催化劑作用下進(jìn)行變換反應(yīng)，以得到合成氨所需的原料氫氣。經(jīng)煤氣化得到的粗煤氣中除含CO、H2、H2O外，還有少量的H2S、CO2等雜質(zhì)氣體，腐蝕環(huán)境惡劣[1]。有資料表明，變換爐經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后易在接管連接位置出現(xiàn)裂紋，這給變換爐的正常運(yùn)行帶來了較大的安全隱患。同時(shí)，引出管彎頭本身也是需要重點(diǎn)關(guān)注的部件之一[2]，流體的沖蝕和磨損使得彎頭減薄嚴(yán)重，復(fù)雜的受力也讓彎頭的承載能力存在不確定因素。本身容器開孔處會(huì)有明顯的應(yīng)力集中，如果再加上外界管道對(duì)設(shè)備管口施加的力和力矩，顯然會(huì)進(jìn)一步降低設(shè)備本身的安全性[3]，基于目前的常規(guī)設(shè)計(jì)方法無法對(duì)接管與殼體連接處及彎管處的復(fù)雜應(yīng)力進(jìn)行求解，因此運(yùn)用有限元應(yīng)力分析是十分必要的[4]。

1 設(shè)計(jì)實(shí)例

現(xiàn)以某裝置變換工段的第一變換爐為例，對(duì)其下封頭處變換氣出口的進(jìn)行應(yīng)力分析，其結(jié)構(gòu)見下圖1。該變換爐設(shè)計(jì)條件為操作壓力3.7MPa，設(shè)計(jì)壓力4.0MPa，操作溫度225～420℃，設(shè)計(jì)溫度450℃，設(shè)備直徑φ4000mm，筒體壁厚68mm，封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，厚度68mm，變換氣出口N1接管公稱直徑為DN600，采用補(bǔ)強(qiáng)管鍛件φ778X94，彎頭為DN600短半徑彎頭，其壁厚取87.5%的公稱壁厚[5]。筒體和封頭材料為14Cr1MoR，補(bǔ)強(qiáng)管鍛件14Cr1MoⅢ，彎頭材質(zhì)為15CrMo。入口介質(zhì)為半水煤氣、變換氣，腐蝕裕量為3mm。設(shè)備N1接管的外載荷值見下表1。

圖1 變換氣出口接管結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 有限元計(jì)算軟件

本分析采用目前在國(guó)際上應(yīng)用極為廣泛的商用有限元計(jì)算軟件-ANSYS軟件。1995年10月，該軟件已通過全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的測(cè)試，并被認(rèn)可為壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[6]相適應(yīng)的有限元分析軟件，用于壓力容器分析設(shè)計(jì)。

2.2 有限元模型

為真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，采用三維實(shí)體建模。有限元模型如下圖2所示。單元選擇Solid185劃分網(wǎng)格，在開孔接管處加密，網(wǎng)格劃分模型如下圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 網(wǎng)格模型

3 邊界條件與載荷的施加

3.1 邊界條件

筒體端面施加全約束，在裙座引出孔位置對(duì)接管施加UX，UZ方向約束，見圖4，接管端部施加等效軸向拉力，見圖5。

3.2 設(shè)計(jì)工況

3.2.1 設(shè)計(jì)工況一：僅受內(nèi)壓

筒體、封頭和接管內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷0.4MPa。

3.2.2 設(shè)計(jì)工況二：受內(nèi)壓載荷與管口外載荷

筒體、封頭和接管內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷，管口外載荷采用MPC施加方法[7]，建立載荷作用點(diǎn)與接管端面的接觸，然后在該作用點(diǎn)按上表1中數(shù)據(jù)施加載荷。

圖4 約束施加

圖5 接管等效力施加

圖6 內(nèi)壓施加

圖7 管口外載荷力及力矩施加

4 有限元分析與強(qiáng)度校核

4.1 強(qiáng)度校核依據(jù)

按照文獻(xiàn)[6]的規(guī)定，強(qiáng)度校核采用最大剪應(yīng)力理論，應(yīng)力強(qiáng)度規(guī)定為最大剪應(yīng)力的二倍。為求取，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)、載荷形式和有限元計(jì)算結(jié)果，選取較危險(xiǎn)的高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)設(shè)定沿厚度方向的路徑，對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行線性化處理，最后進(jìn)行強(qiáng)度校核。

本分析結(jié)構(gòu)所用材料的強(qiáng)度校核許用值見表2。

表2 不同材料的強(qiáng)度校核許用值

4.2 強(qiáng)度評(píng)定與結(jié)果分析

4.2.1 設(shè)計(jì)工況一

表3 應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算與校核-設(shè)計(jì)工況一

圖8 設(shè)備應(yīng)力云圖-設(shè)計(jì)工況一

圖9 彎管應(yīng)力云圖-設(shè)計(jì)工況一

4.2.2 設(shè)計(jì)工況二

表4 應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算與校核-設(shè)計(jì)工況二

圖10 設(shè)備應(yīng)力云圖-設(shè)計(jì)工況二

圖11 彎管應(yīng)力云圖-設(shè)計(jì)工況二

從以上兩種工況的圖8與圖10可以看出，該局部結(jié)構(gòu)的較大應(yīng)力處都出現(xiàn)在補(bǔ)強(qiáng)管與封頭的連接處，最大應(yīng)力點(diǎn)在該補(bǔ)強(qiáng)管內(nèi)表面，相對(duì)于強(qiáng)度許用值仍有較大的富余量。對(duì)于彎頭，如圖9和圖11所示，該彎頭的最大應(yīng)力位置在彎頭內(nèi)腹部區(qū)域，內(nèi)壓與管口外載荷同時(shí)施加的情況下其最大應(yīng)力值與單獨(dú)施加內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力值相差不多。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)變換爐下封頭局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析，研究了該設(shè)備封頭上接管在同時(shí)承受內(nèi)壓和管口外載荷時(shí)的應(yīng)力情況。計(jì)算結(jié)果表明，在兩種設(shè)計(jì)工況下，該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為設(shè)備后續(xù)設(shè)計(jì)和校核提供一定的參考價(jià)值。

針對(duì)彎頭結(jié)構(gòu)，在建模時(shí)不能忽略材料的厚度偏差等要求，按最小壁厚進(jìn)行計(jì)算更為安全合理，此設(shè)備彎頭最大應(yīng)力位置的主要應(yīng)力類型是薄膜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力影響作用較小，在設(shè)備使用中應(yīng)對(duì)彎頭內(nèi)腹部區(qū)域重點(diǎn)關(guān)注。

[1] 田春霞.合成氨裝置變換爐設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道，2011，48(2)：14-18.

[2] 雷俊杰，王瑞英，王學(xué)翠，等.基于有限元的外載作用下彎頭局部強(qiáng)度分析[J].遼寧化工，2013，42(5)：507-509.

[3] 劉柱元.煤氣化變換爐卸料口接管焊縫裂紋產(chǎn)生原因及治理措施[J].化工管理，2015(25)：180-182.

[4] 戚曉寧，石 磊，曹 永.壓力容器管口應(yīng)力分析[J].石油和化工設(shè)備，2009(08)：13-15.

[5] 全國(guó)管路附件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T12459-2005，鋼制對(duì)焊無縫管件[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[6] 全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB4732-1995，鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S] . 北京：中國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社, 1995.

[7] 李艷明.采用ANSYS進(jìn)行壓力容器管口局部應(yīng)力計(jì)算方法的比較[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2012，33(6)：15-17.

(本文文獻(xiàn)格式：鄭 偉.基于ANSYS的管口外載荷作用下帶彎頭接管應(yīng)力分析[J].山東化工，2017，46(10)：143-146.)

Stress Analysis of Nozzle with Elbow Under External Piping Load Based on ANSYS

ZhengWei

(CNOOC Petrochemical Engineering Co.，Ltd.，Jinan 250101，China)

This paper takes a device shift furnace as example, and finite element analysis has been used for the nozzle with elbow on the bottom head by applying ANSYS, then the stress distribution have been carried out and the result meets the relevant standards. Reliable modeling and analysis have been taken to calculate load-carrying capability of the elbow. These results can provide theoretical basis and valuable reference for the engineering design and follow-up testing.

shift furnace; elbow; external load; finite element analysis; stress intensity

2017-04-10

鄭 偉(1990—)，山東樂陵人，助理工程師，碩士學(xué)位，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)相關(guān)工作。

TH49

A

1008-021X(2017)10-0143-04

化工設(shè)計(jì)