热壁加氢反应器热箱区有限元应力分析

计算机应用CFHI TECHNOLOGY10.3969/jisn1673-3355.2013.05018热壁加氢反应器热箱区有限元应力分析卢峰摘要:采用有限元法对热壁加氢反应器热箱区进行包含热辐射传导的非线性有限元应力分析,并按照JB4732对危险截面进行评定,其评定结果和应用实践都说明对热箱区部位进行非线性有限元分析设计是十分必要的关键词:热壁加氢反应器;热箱区;应力分析中图分类号:TE966文献标识码:A文章编号: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热壁加氢反应器是炼油加工中的关键设备,而式中,h—对流换热系数(或称膜传热系数、给热热箱区是热壁加氢反应器的高应力区,上部连接筒系数、膜系数等)(W/m2·K);T固体表面体,下部连接封头及裙座,属于关键部位。由于热的温度(K);T周围流体的温度(K)。箱区是在高温、高压且温差较大的环境下工作,其热辐射指物体发射电磁能,被其它物体吸收并应力状况非常复杂,既存在由压力载荷等引起的机转变为热的热量交换过程。物体温度越高,单位时械应力,又存在由温差载荷引起的热应力,属于复间内辐射的热量也越多。热传导和热对流都需要有杂的热-结构的耦合应力分析。在热-结构的耦合传热介质,而热辐射无须任何介质。实质上,在真应力分析中,热分析又是重中之重空中的热辐射效率最高。在工程中通常考虑两个或热分析中的热传递方式有三种:热传导、热对两个以上物体之间的辐射,系统中每个物体同时辐流及热辐射。热传导可以定义为完全接触的两个物射并吸收热量。体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而热辐射遵循斯蒂芬一波尔兹曼方程引起的内能交换。q=eoA Fi2(T1-T2)(3)热传导遵循付里叶定律:式中,q—热流率;ε—辐射率(黑度),它介于0(1)之间;σ-斯蒂芬-波尔兹曼常数,约为567×10W/m2·K4;Ar辐射面1的面积式中,q热流密度(Wm;k导热系数(Whm·K)(mm2);F2由辐射面1到辐射面2的形状”号—热量流向温度降低的方向系数;T一辐射面1的绝对温度(K);T2为热对流是指固体表面与它周围所接触的流体之辐射面2的绝对温度(K)。间由于存在温差而引起的热量交换。热对流可以分由方程可知含有热辐射的分析是高度非线性的为自然对流和强制对流。其中的黑度(辐射率)反映着物体在辐射能力方面其中,热对流遵循牛顿冷却方程接近黑体的程度,是辐射换热中的重要参数。在相(2)中国煤化工1.一重集团大连设计研究院有限公司工程师大连116600CNMHG2013年第5期总155期CFHI重技朮一计算机应用同的温度下,以黑体的辐射率为最大;物体表面的精度。辐射率(即黑度)在数值上等于该表面对来自同温度的投入辐射的吸收率。因此,一切辐射率高的物热箱区应力分析计算及评定体都具有高的吸收力。黑体的黑度等于1.0;各种实际物体的黑度都在0~1.0之间。1.1热壁加氢反应器结构及主要技术参数由于受到计算机软件及硬件的制约,以往热箱本文以某炼厂热壁加氢反应器为例,设计压力区的热分析仅包含热传导、热对流两种热传递方P20.37MPa,设计温度T=454℃,反应器本体材式,仅进行线性稳态热-固耦合有限元分析计算;料为锻钢2均Cr-Mo-V,设计温度下许用应力而本文新增加热辐射传导,要进行非线性稳态热-强度Sn=169MPa(见表1、图1)。固耦合有限元分析计算,将在很大程度上提高计算表1反应器主要技术参数工作工作设计压力设计温度容器外的最低冷氢进料十算载荷组合内径压力温度环境温度温度系数MPa)MPa)℃)(MPa)18.531.04413主体腐蚀焊接设备金属设备操作基础环底截面基础环底截面保温材料的防火层材料的裕量接头材料总质量总质量上的风弯矩上的地震弯矩导热系数导热系数(mm)系数W/mm·℃)2 14Cr-IMo-74V31.0670877952315755280191722000.10le-314e-3《钢制压力容器-分析设计标准》(205年确认)附录G及其它参考资料(见表2)閂表2材料特性参数使用温度部件名称弹性模量材料名称筒体(锻)2Cr-1Mo-V454174000封头(钢板)21/4Cr-1Mo-V174裙座上段2%4Cr-1Mo%V454174000热传导率线膨胀系数设计应力强度泊松比13.93e-6190.31.3有限元计算模型由于结构对称,计算时采用二维轴对称模型其中筒体及裙座长度足够长,远大于边缘应力的衰减范围。网格划分时,采用8个节点的 PLANE77结构单元和8个节点的 PLANE183热单元进行有图1几何模型限元网格划分,并对高应力区进行精细划分,共得到10950节点,3470单元(见图2)1.2材料特性1.4边界条件各部分零件的材料数据取自JB4732-1995(1)结构HH中国煤化工CNMHG器内表面施2013年第5期总155期)计算机应用CFHI TECHNOLOGY图2有限元模型加内压,同时在筒体横截面处施加对应的等效载l—绝热;2一边界1;3—边界2;4边荷,在对称面施加对称约束(见图3、表3)。界3;5—边界4;6—边界5;7—边界6。图4温度场边界条件可知最大应力强度发生在筒体与封头的内过渡圆角处(见图5)。图3结构场边界条件(2)温度场载荷及约束条件:在辐射面边界6施加相应的辐射率,同时在边界1~5施加对应的温度载荷和传热膜系数(见图4、表3)图5机械应力分布云图1.5有限元分析结果由热载荷引起的温度梯度云图可知,在热箱区由内压及自重等载荷引起的机械应力分布云图有明显的温度梯度产生(见图6)。有温度梯度产表3边界条件参数生就必然会引起温差应力(见图7),最大热应力发生在热箱区锻件裙筒侧的内过渡圆角品每压力环境温度传热膜系数位移备(MPa)处,且应力值比较大。故热箱区设计时,进内壁压力P20,37行非线性有限元分析是十分必要的筒体纵截面P衡载荷等效载荷-7407+226绝热重力载荷3内壁热边界边界1封头外壁热4.4e-6边界2边界裙座内侧热边界3边界裙座外侧热12e-6边界4边界筒体外侧热12e-6边界5边界8热箱内部热辐射边界条件边界6中国煤化工9裙座下端UYCNMHG2013年第5期(总重技朮一计算机应用图7温差应力分布图8对比温差应力分布云图1.6计算结果及评定分布(见图8)。通过图7和图8的数据对比不难本文取AA-CC三条路径对结构场和温度场看出,裙筒厚度增厚后热应力会相应增加,因此当种场作用下的应力结果分别进行线性化处理。再根确定热箱区的结构时,要遵循在满足结构强度基础据ⅣB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》之上,使用较薄裙筒厚度的原则。这样既可以降低考虑温度场应力结果,而评定一次加二次薄膜应力3结参《结构更加合理。对各路径进行相应评定。由标准可知温度应力属于制造成本,又使次应力,评定一次局部薄膜应力(P)时不需要(P+P+Q)时需要考虑结构场和温度场的耦合应力(1)本文运用有限元软件 ANSYS对热壁加氢结果。最后得岀结论:各个路径上的一次局部薄反应器热箱区进行了应力分析计算,并在计算中首膜应力(P)和一次加二次溥膜应力(P+P+Q)次使用了热辐射计算技术,使计算结果更为精确均满足JB4732-1995《钢制压力容器一分析设计(2)从计算结果可以看出:由温差产生的热应标准》的要求,评定合格力大于由内压产生的机械应力,热应力不可忽略2降低热箱区热应力的方法(3)在满足热箱区结构强度基础之上,使用较薄的裙筒厚度规格既能够降低热箱区的热应力,又加氢反应器热箱区对反应器起支撑作用,它同能降低制造成本。时受到重力、压力、风、地震载荷以及温差载荷的4)设计热箱区时除了按照相应标准进行常规影响,一般情况下应力都比较高。通常认为裙简厚计算之外,还必须进行应力分析设计计算,这样才度越厚,裙筒整体强度就会越高,对设备的安全越能将结构设计得更加合理有好处。然而应力分析表明,裙筒厚度增厚使该部参考文献位的结构刚度矩阵增大,在温差载荷的作用下产生张智亮,王勇加氢反应器裙座支撑区有限元分析及优化设计盯炼油技术与工程,1998,38(3)了过大的热应力,反而会影响设备的安全。以上面凹2杨世铭,陶文铨传热学围.高等教育出版社,200的热箱区为例,其它参数不变,仅将群筒厚度増厚③JB4732-195,钢制压力容器-分析设计标准S5mm,改为75mm,经过分析计算得到其热应力收稿日期:201309-17中国煤化工CNMHG722018年第5期(总15期)