熱壁加氫反應器熱箱區有限元應力分析

計算機應用CFHI TECHNOLOGY10.3969/jisn1673-3355.2013.05018熱壁加氫反應器熱箱區有限元應力分析盧峰摘要:采用有限元法對熱壁加氫反應器熱箱區進(jìn)行包含熱輻射傳導的非線(xiàn)性有限元應力分析,并按照JB4732對危險截面進(jìn)行評定,其評定結果和應用實(shí)踐都說(shuō)明對熱箱區部位進(jìn)行非線(xiàn)性有限元分析設計是十分必要的關(guān)鍵詞:熱壁加氫反應器;熱箱區;應力分析中圖分類(lèi)號:TE966文獻標識碼: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熱壁加氫反應器是煉油加工中的關(guān)鍵設備,而式中,h—對流換熱系數(或稱(chēng)膜傳熱系數、給熱熱箱區是熱壁加氫反應器的高應力區,上部連接筒系數、膜系數等)(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?chē)黧w的溫度(K)。箱區是在高溫、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力狀況非常復雜,既存在由壓力載荷等引起的機轉變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過(guò)程。物體溫度越高,單位時(shí)械應力,又存在由溫差載荷引起的熱應力,屬于復間內輻射的熱量也越多。熱傳導和熱對流都需要有雜的熱-結構的耦合應力分析。在熱-結構的耦合傳熱介質(zhì),而熱輻射無(wú)須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上,在真應力分析中,熱分析又是重中之重空中的熱輻射效率最高。在工程中通?？紤]兩個(gè)或熱分析中的熱傳遞方式有三種:熱傳導、熱對兩個(gè)以上物體之間的輻射,系統中每個(gè)物體同時(shí)輻流及熱輻射。熱傳導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能交換。q=eoA Fi2(T1-T2)(3)熱傳導遵循付里葉定律: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,約為567×10W/m2·K4;Ar輻射面1的面積式中,q熱流密度(Wm;k導熱系數(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;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?chē)佑|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(xiàn)性的為自然對流和強制對流。其中的黑度(輻射率)反映著(zhù)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。在相(2)中國煤化工1.一重集團大連設計研究院有限公司工程師大連116600CNMHG2013年第5期總155期CFHI重技朮一計算機應用同的溫度下,以黑體的輻射率為最大;物體表面的精度。輻射率(即黑度)在數值上等于該表面對來(lái)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應力分析計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熱壁加氫反應器結構及主要技術(shù)參數由于受到計算機軟件及硬件的制約,以往熱箱本文以某煉廠(chǎng)熱壁加氫反應器為例,設計壓力區的熱分析僅包含熱傳導、熱對流兩種熱傳遞方P20.37MPa,設計溫度T=454℃,反應器本體材式,僅進(jìn)行線(xiàn)性穩態(tài)熱-固耦合有限元分析計算;料為鍛鋼2均Cr-Mo-V,設計溫度下許用應力而本文新增加熱輻射傳導,要進(jìn)行非線(xiàn)性穩態(tài)熱-強度Sn=169MPa(見(jiàn)表1、圖1)。固耦合有限元分析計算,將在很大程度上提高計算表1反應器主要技術(shù)參數工作工作設計壓力設計溫度容器外的最低冷氫進(jìn)料十算載荷組合內徑壓力溫度環(huán)境溫度溫度系數MPa)MPa)℃)(MPa)18.531.04413主體腐蝕焊接設備金屬設備操作基礎環(huán)底截面基礎環(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熱系數導熱系數(mm)系數W/mm·℃)2 14Cr-IMo-74V31.0670877952315755280191722000.10le-314e-3《鋼制壓力容器-分析設計標準》(205年確認)附錄G及其它參考資料(見(jiàn)表2)閂表2材料特性參數使用溫度部件名稱(chēng)彈性模量材料名稱(chēng)筒體(鍛)2Cr-1Mo-V454174000封頭(鋼板)21/4Cr-1Mo-V174裙座上段2%4Cr-1Mo%V454174000熱傳導率線(xiàn)膨脹系數設計應力強度泊松比13.93e-6190.31.3有限元計算模型由于結構對稱(chēng),計算時(shí)采用二維軸對稱(chēng)模型其中筒體及裙座長(cháng)度足夠長(cháng),遠大于邊緣應力的衰減范圍。網(wǎng)格劃分時(shí),采用8個(gè)節點(diǎn)的 PLANE77結構單元和8個(gè)節點(diǎn)的 PLANE183熱單元進(jìn)行有圖1幾何模型限元網(wǎng)格劃分,并對高應力區進(jìn)行精細劃分,共得到10950節點(diǎn),3470單元(見(jiàn)圖2)1.2材料特性1.4邊界條件各部分零件的材料數據取自JB4732-1995(1)結構HH中國煤化工CNMHG器內表面施2013年第5期總155期)計算機應用CFHI TECHNOLOGY圖2有限元模型加內壓,同時(shí)在筒體橫截面處施加對應的等效載l—絕熱;2一邊界1;3—邊界2;4邊荷,在對稱(chēng)面施加對稱(chēng)約束(見(jiàn)圖3、表3)。界3;5—邊界4;6—邊界5;7—邊界6。圖4溫度場(chǎng)邊界條件可知最大應力強度發(fā)生在筒體與封頭的內過(guò)渡圓角處(見(jiàn)圖5)。圖3結構場(chǎng)邊界條件(2)溫度場(chǎng)載荷及約束條件:在輻射面邊界6施加相應的輻射率,同時(shí)在邊界1~5施加對應的溫度載荷和傳熱膜系數(見(jiàn)圖4、表3)圖5機械應力分布云圖1.5有限元分析結果由熱載荷引起的溫度梯度云圖可知,在熱箱區由內壓及自重等載荷引起的機械應力分布云圖有明顯的溫度梯度產(chǎn)生(見(jiàn)圖6)。有溫度梯度產(chǎn)表3邊界條件參數生就必然會(huì )引起溫差應力(見(jiàn)圖7),最大熱應力發(fā)生在熱箱區鍛件裙筒側的內過(guò)渡圓角品每壓力環(huán)境溫度傳熱膜系數位移備(MPa)處,且應力值比較大。故熱箱區設計時(shí),進(jìn)內壁壓力P20,37行非線(xiàn)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內壁熱邊界邊界1封頭外壁熱4.4e-6邊界2邊界裙座內側熱邊界3邊界裙座外側熱12e-6邊界4邊界筒體外側熱12e-6邊界5邊界8熱箱內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(總重技朮一計算機應用圖7溫差應力分布圖8對比溫差應力分布云圖1.6計算結果及評定分布(見(jiàn)圖8)。通過(guò)圖7和圖8的數據對比不難本文取AA-CC三條路徑對結構場(chǎng)和溫度場(chǎng)看出,裙筒厚度增厚后熱應力會(huì )相應增加,因此當種場(chǎng)作用下的應力結果分別進(jìn)行線(xiàn)性化處理。再根確定熱箱區的結構時(shí),要遵循在滿(mǎn)足結構強度基礎據ⅣB4732-1995《鋼制壓力容器分析設計標準》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(chǎng)應力結果,而評定一次加二次薄膜應力3結參《結構更加合理。對各路徑進(jìn)行相應評定。由標準可知溫度應力屬于制造成本,又使次應力,評定一次局部薄膜應力(P)時(shí)不需要(P+P+Q)時(shí)需要考慮結構場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合應力(1)本文運用有限元軟件 ANSYS對熱壁加氫結果。最后得岀結論:各個(gè)路徑上的一次局部薄反應器熱箱區進(jìn)行了應力分析計算,并在計算中首膜應力(P)和一次加二次溥膜應力(P+P+Q)次使用了熱輻射計算技術(shù),使計算結果更為精確均滿(mǎn)足JB4732-1995《鋼制壓力容器一分析設計(2)從計算結果可以看出:由溫差產(chǎn)生的熱應標準》的要求,評定合格力大于由內壓產(chǎn)生的機械應力,熱應力不可忽略2降低熱箱區熱應力的方法(3)在滿(mǎn)足熱箱區結構強度基礎之上,使用較薄的裙筒厚度規格既能夠降低熱箱區的熱應力,又加氫反應器熱箱區對反應器起支撐作用,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)設計熱箱區時(shí)除了按照相應標準進(jìn)行常規影響,一般情況下應力都比較高。通常認為裙簡(jiǎn)厚計算之外,還必須進(jìn)行應力分析設計計算,這樣才度越厚,裙筒整體強度就會(huì )越高,對設備的安全越能將結構設計得更加合理有好處。然而應力分析表明,裙筒厚度增厚使該部參考文獻位的結構剛度矩陣增大,在溫差載荷的作用下產(chǎn)生張智亮,王勇加氫反應器裙座支撐區有限元分析及優(yōu)化設計盯煉油技術(shù)與工程,1998,38(3)了過(guò)大的熱應力,反而會(huì )影響設備的安全。以上面凹2楊世銘,陶文銓傳熱學(xué)圍.高等教育出版社,200的熱箱區為例,其它參數不變,僅將群筒厚度増厚③JB4732-195,鋼制壓力容器-分析設計標準S5mm,改為75mm,經(jīng)過(guò)分析計算得到其熱應力收稿日期:201309-17中國煤化工CNMHG722018年第5期(總15期)