計(jì)算機(jī)應(yīng)用CFHI TECHNOLOGY10.3969/jisn1673-3355.2013.05018熱壁加氫反應(yīng)器熱箱區(qū)有限元應(yīng)力分析盧峰摘要:采用有限元法對熱壁加氫反應(yīng)器熱箱區(qū)進(jìn)行包含熱輻射傳導(dǎo)的非線性有限元應(yīng)力分析,并按照J(rèn)B4732對危險(xiǎn)截面進(jìn)行評定,其評定結(jié)果和應(yīng)用實(shí)踐都說明對熱箱區(qū)部位進(jìn)行非線性有限元分析設(shè)計(jì)是十分必要的關(guān)鍵詞:熱壁加氫反應(yīng)器;熱箱區(qū);應(yīng)力分析中圖分類號:TE966文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1673-3355(2013)05-0018-04Finite Element Analysis for Hot Chamber of Hot-wall Hydrogenation Reactor Lu FenAbstract: The paper analyses nonlinear stress of heat radiation and conduction in the hot chamber of hot-wall hydrogenationreactor with finite element analysis (FEA), and evaluates the dangerous section according to JB4732. The evaluation andpractical application indicate that it is necessary to do nonlinear finite element analysis for hot chamber designKey words: Hot-wall hydrogenation reactor: hot chamber; stress analysis熱壁加氫反應(yīng)器是煉油加工中的關(guān)鍵設(shè)備,而式中,h—對流換熱系數(shù)(或稱膜傳熱系數(shù)、給熱熱箱區(qū)是熱壁加氫反應(yīng)器的高應(yīng)力區(qū),上部連接筒系數(shù)、膜系數(shù)等)(W/m2·K);T固體表面體,下部連接封頭及裙座,屬于關(guān)鍵部位。由于熱的溫度(K);T周圍流體的溫度(K)。箱區(qū)是在高溫、高壓且溫差較大的環(huán)境下工作,其熱輻射指物體發(fā)射電磁能,被其它物體吸收并應(yīng)力狀況非常復(fù)雜,既存在由壓力載荷等引起的機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高,單位時(shí)械應(yīng)力,又存在由溫差載荷引起的熱應(yīng)力,屬于復(fù)間內(nèi)輻射的熱量也越多。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要有雜的熱-結(jié)構(gòu)的耦合應(yīng)力分析。在熱-結(jié)構(gòu)的耦合傳熱介質(zhì),而熱輻射無須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上,在真應(yīng)力分析中,熱分析又是重中之重空中的熱輻射效率最高。在工程中通常考慮兩個(gè)或熱分析中的熱傳遞方式有三種:熱傳導(dǎo)、熱對兩個(gè)以上物體之間的輻射,系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻流及熱輻射。熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物射并吸收熱量。體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而熱輻射遵循斯蒂芬一波爾茲曼方程引起的內(nèi)能交換。q=eoA Fi2(T1-T2)(3)熱傳導(dǎo)遵循付里葉定律:式中,q—熱流率;ε—輻射率(黑度),它介于0(1)之間;σ-斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù),約為567×10W/m2·K4;Ar輻射面1的面積式中,q熱流密度(Wm;k導(dǎo)熱系數(shù)(Whm·K)(mm2);F2由輻射面1到輻射面2的形狀”號—熱量流向溫度降低的方向系數(shù);T一輻射面1的絕對溫度(K);T2為熱對流是指固體表面與它周圍所接觸的流體之輻射面2的絕對溫度(K)。間由于存在溫差而引起的熱量交換。熱對流可以分由方程可知含有熱輻射的分析是高度非線性的為自然對流和強(qiáng)制對流。其中的黑度(輻射率)反映著物體在輻射能力方面其中,熱對流遵循牛頓冷卻方程接近黑體的程度,是輻射換熱中的重要參數(shù)。在相(2)中國煤化工1.一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司工程師大連116600CNMHG2013年第5期總155期CFHI重技朮一計(jì)算機(jī)應(yīng)用同的溫度下,以黑體的輻射率為最大;物體表面的精度。輻射率(即黑度)在數(shù)值上等于該表面對來自同溫度的投入輻射的吸收率。因此,一切輻射率高的物熱箱區(qū)應(yīng)力分析計(jì)算及評定體都具有高的吸收力。黑體的黑度等于1.0;各種實(shí)際物體的黑度都在0~1.0之間。1.1熱壁加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)由于受到計(jì)算機(jī)軟件及硬件的制約,以往熱箱本文以某煉廠熱壁加氫反應(yīng)器為例,設(shè)計(jì)壓力區(qū)的熱分析僅包含熱傳導(dǎo)、熱對流兩種熱傳遞方P20.37MPa,設(shè)計(jì)溫度T=454℃,反應(yīng)器本體材式,僅進(jìn)行線性穩(wěn)態(tài)熱-固耦合有限元分析計(jì)算;料為鍛鋼2均Cr-Mo-V,設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力而本文新增加熱輻射傳導(dǎo),要進(jìn)行非線性穩(wěn)態(tài)熱-強(qiáng)度Sn=169MPa(見表1、圖1)。固耦合有限元分析計(jì)算,將在很大程度上提高計(jì)算表1反應(yīng)器主要技術(shù)參數(shù)工作工作設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度容器外的最低冷氫進(jìn)料十算載荷組合內(nèi)徑壓力溫度環(huán)境溫度溫度系數(shù)MPa)MPa)℃)(MPa)18.531.04413主體腐蝕焊接設(shè)備金屬設(shè)備操作基礎(chǔ)環(huán)底截面基礎(chǔ)環(huán)底截面保溫材料的防火層材料的裕量接頭材料總質(zhì)量總質(zhì)量上的風(fēng)彎矩上的地震彎矩導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)(mm)系數(shù)W/mm·℃)2 14Cr-IMo-74V31.0670877952315755280191722000.10le-314e-3《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(205年確認(rèn))附錄G及其它參考資料(見表2)閂表2材料特性參數(shù)使用溫度部件名稱彈性模量材料名稱筒體(鍛)2Cr-1Mo-V454174000封頭(鋼板)21/4Cr-1Mo-V174裙座上段2%4Cr-1Mo%V454174000熱傳導(dǎo)率線膨脹系數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度泊松比13.93e-6190.31.3有限元計(jì)算模型由于結(jié)構(gòu)對稱,計(jì)算時(shí)采用二維軸對稱模型其中筒體及裙座長度足夠長,遠(yuǎn)大于邊緣應(yīng)力的衰減范圍。網(wǎng)格劃分時(shí),采用8個(gè)節(jié)點(diǎn)的 PLANE77結(jié)構(gòu)單元和8個(gè)節(jié)點(diǎn)的 PLANE183熱單元進(jìn)行有圖1幾何模型限元網(wǎng)格劃分,并對高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行精細(xì)劃分,共得到10950節(jié)點(diǎn),3470單元(見圖2)1.2材料特性1.4邊界條件各部分零件的材料數(shù)據(jù)取自JB4732-1995(1)結(jié)構(gòu)HH中國煤化工CNMHG器內(nèi)表面施2013年第5期總155期)計(jì)算機(jī)應(yīng)用CFHI TECHNOLOGY圖2有限元模型加內(nèi)壓,同時(shí)在筒體橫截面處施加對應(yīng)的等效載l—絕熱;2一邊界1;3—邊界2;4邊荷,在對稱面施加對稱約束(見圖3、表3)。界3;5—邊界4;6—邊界5;7—邊界6。圖4溫度場邊界條件可知最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在筒體與封頭的內(nèi)過渡圓角處(見圖5)。圖3結(jié)構(gòu)場邊界條件(2)溫度場載荷及約束條件:在輻射面邊界6施加相應(yīng)的輻射率,同時(shí)在邊界1~5施加對應(yīng)的溫度載荷和傳熱膜系數(shù)(見圖4、表3)圖5機(jī)械應(yīng)力分布云圖1.5有限元分析結(jié)果由熱載荷引起的溫度梯度云圖可知,在熱箱區(qū)由內(nèi)壓及自重等載荷引起的機(jī)械應(yīng)力分布云圖有明顯的溫度梯度產(chǎn)生(見圖6)。有溫度梯度產(chǎn)表3邊界條件參數(shù)生就必然會(huì)引起溫差應(yīng)力(見圖7),最大熱應(yīng)力發(fā)生在熱箱區(qū)鍛件裙筒側(cè)的內(nèi)過渡圓角品每壓力環(huán)境溫度傳熱膜系數(shù)位移備(MPa)處,且應(yīng)力值比較大。故熱箱區(qū)設(shè)計(jì)時(shí),進(jìn)內(nèi)壁壓力P20,37行非線性有限元分析是十分必要的筒體縱截面P衡載荷等效載荷-7407+226絕熱重力載荷3內(nèi)壁熱邊界邊界1封頭外壁熱4.4e-6邊界2邊界裙座內(nèi)側(cè)熱邊界3邊界裙座外側(cè)熱12e-6邊界4邊界筒體外側(cè)熱12e-6邊界5邊界8熱箱內(nèi)部熱輻射邊界條件邊界6中國煤化工9裙座下端UYCNMHG2013年第5期(總重技朮一計(jì)算機(jī)應(yīng)用圖7溫差應(yīng)力分布圖8對比溫差應(yīng)力分布云圖1.6計(jì)算結(jié)果及評定分布(見圖8)。通過圖7和圖8的數(shù)據(jù)對比不難本文取AA-CC三條路徑對結(jié)構(gòu)場和溫度場看出,裙筒厚度增厚后熱應(yīng)力會(huì)相應(yīng)增加,因此當(dāng)種場作用下的應(yīng)力結(jié)果分別進(jìn)行線性化處理。再根確定熱箱區(qū)的結(jié)構(gòu)時(shí),要遵循在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基礎(chǔ)據(jù)ⅣB4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》之上,使用較薄裙筒厚度的原則。這樣既可以降低考慮溫度場應(yīng)力結(jié)果,而評定一次加二次薄膜應(yīng)力3結(jié)參《結(jié)構(gòu)更加合理。對各路徑進(jìn)行相應(yīng)評定。由標(biāo)準(zhǔn)可知溫度應(yīng)力屬于制造成本,又使次應(yīng)力,評定一次局部薄膜應(yīng)力(P)時(shí)不需要(P+P+Q)時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)場和溫度場的耦合應(yīng)力(1)本文運(yùn)用有限元軟件 ANSYS對熱壁加氫結(jié)果。最后得岀結(jié)論:各個(gè)路徑上的一次局部薄反應(yīng)器熱箱區(qū)進(jìn)行了應(yīng)力分析計(jì)算,并在計(jì)算中首膜應(yīng)力(P)和一次加二次溥膜應(yīng)力(P+P+Q)次使用了熱輻射計(jì)算技術(shù),使計(jì)算結(jié)果更為精確均滿足JB4732-1995《鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)(2)從計(jì)算結(jié)果可以看出:由溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)》的要求,評定合格力大于由內(nèi)壓產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力,熱應(yīng)力不可忽略2降低熱箱區(qū)熱應(yīng)力的方法(3)在滿足熱箱區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基礎(chǔ)之上,使用較薄的裙筒厚度規(guī)格既能夠降低熱箱區(qū)的熱應(yīng)力,又加氫反應(yīng)器熱箱區(qū)對反應(yīng)器起支撐作用,它同能降低制造成本。時(shí)受到重力、壓力、風(fēng)、地震載荷以及溫差載荷的4)設(shè)計(jì)熱箱區(qū)時(shí)除了按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常規(guī)影響,一般情況下應(yīng)力都比較高。通常認(rèn)為裙簡厚計(jì)算之外,還必須進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計(jì)計(jì)算,這樣才度越厚,裙筒整體強(qiáng)度就會(huì)越高,對設(shè)備的安全越能將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更加合理有好處。然而應(yīng)力分析表明,裙筒厚度增厚使該部參考文獻(xiàn)位的結(jié)構(gòu)剛度矩陣增大,在溫差載荷的作用下產(chǎn)生張智亮,王勇加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)盯煉油技術(shù)與工程,1998,38(3)了過大的熱應(yīng)力,反而會(huì)影響設(shè)備的安全。以上面凹2楊世銘,陶文銓傳熱學(xué)圍.高等教育出版社,200的熱箱區(qū)為例,其它參數(shù)不變,僅將群筒厚度増厚③JB4732-195,鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)S5mm,改為75mm,經(jīng)過分析計(jì)算得到其熱應(yīng)力收稿日期:201309-17中國煤化工CNMHG722018年第5期(總15期)