加氢反应器裙座支撑区的机械应力分析

张彦军，任建明

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

加氢反应器裙座支撑区的机械应力分析

张彦军，任建明

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

加氢反应器是石油产品加工的重要设备，由于其工作在高温高压的场合下，机械应力很大，所以对其裙座支撑区的机械应力分析就尤为重要，在设计时不应忽略。利用ANSYS软件建立了加氢反应器裙座支撑区有限元模型，并对其进行机械应力分析。

机械应力； 有限元分析； 裙座支撑区； 线性应力分析

加氢反应器是石油产品加工的重要设备,其基本结构如图1，加氢反应器由于压力较高，一般为结构细长，并采用球形封头。加氢炼制工艺一般为氢气和原料油按照一定比例从顶端得管口进入加氢反应器，经过入口分配器均匀分布在反应器的催化剂上，在催化剂床层中发生反应，由于该反应时放热反应，为了调节反应器的温度，从一侧的冷氢管加入冷氢，冷氢与油气在冷氢箱内充分混合，以吸收反应热，避免反应超高温，加氢精炼制过程是分段进行的，经过多段催化反应生成的成品油经反应器下端的出口收集器从出口管流出，底部的卸料管用于停工时卸料[1]。

加氢反应器裙座支撑区是其高应力区之一，也是经常出现问题的的区域，所以对其进行机械应力分析是极其必要的。

1 加氢反应器

1.1 加氢反应器裙座h型锻件

该部分上部连接筒体，下部连接封头及裙座，h型锻件厚度一般设计为3 mm，分别用于筒体、封头及裙座，如图2所示。

1.2 基本设计参数

设计压力P= 8.8 MPa；

设计温度T= 347 ℃；

泊松比μ= 0.3；

材料2.25Cr-1Mo。

图1 加氢反应器结构简图Fig.1 Hydrogenation reactor structure diagram mode

2 有限元模型

2.1 有限元简介

本文采用由世界上最强大的有限元分析软件开发公司之一美国 ANSYS公司研发的有限元分析软件ANSYS 软件进行述职模拟分析。该软件融结构、流体、电场、磁场等于一体，ANSYS是一款通用性极强的分析软件。早在 1995年的10 月份，经全国的压力容器标准化委员会的研究和测试，认定ANSYS软件与压力容器的分析和设计的标准相适应，可以用于压力容器分析设计以及改造。

2.2 模型简化

根据加氢反应器裙座支撑区h型锻件的结构建立如图2所示，因为其轴对称所以就采用轴对称模型，其中与h型锻件的筒体及裙座的长度足够长，远大于2.5倍的边缘，由于主要讨论h型锻件连接区的应力分布规律，忽略了下封头的开孔接管，截面尺寸如图2所示，其中，筒体端部以面力P2模拟封闭筒体受力情况。

图2 裙座支撑区应力有限元计算模型Fig.2 Skirt area of sreee finite element

2.3 单元选择和网格划分[1]

在分析中采用structural Solid中的Quad 8node 82单元。网格划分采用自由划分原则，并且在局部进行细化，是得结果更加精确，划分为网格的模型如图3。

图3 模型的网格局部细化划分图Fig.3 Model grid refinement division figure

2.4 模型的位移边界条件和载荷

根据该设备的结构、载荷特性以及在总体坐标下对模型边界约束。在模型的另一半的交界面上加对称约束位移x= 0。将设备底部限定在地面上，使得y方向的位移为0。

载荷由于该设备主要承受内压，所以在内表面施加P的压力。由于该设备还承受筒体上部的重力，所以在其端部施面力P1如图4。

图4 施加载荷条件模型Fig.4 Applied load conditions model

式中：P1—设备重力在筒体端部产生的应力；

P2—内压引起的筒体端部轴向平衡面力。

公式中其它参数见表1。

表1 参数数据Table 1 Each parameter physical quantities

3 有限元分析结果

由于加氢反应器长期在高温高压的临氢环境中工作， 操作过程中的温度和压力的波动，开停工过程中压力和温度的变化等都会引起反应器应力循环疲劳、裂纹萌生和已存在缺陷的疲劳扩展，给在役热壁加氢反应器的正常生产带来安全隐患。因为机械应力大，使裙座支撑区的应力状况进一步恶化，设计时不容忽略，因此应对加氢反应器裙座支撑区进行机械应力分析。

由应力分析强度云图5可知，最大应力强度发生在h形锻件内的上端部的内侧以及下端圆弧的内侧，以及其他一些可能的部位如过度圆角处。在这3个最大应力强度区，各取一条应力评定路线进行线处理，如图6。

图5 机械应力强度云图Fig.5 Mechanical stress intensity image

图6 应力评定路径Fig.6 Stress assessment Path

3.1 应力线性化原理[8]

应力线性化原理是内嵌在ANSYS有限元分析软件计算结果的数据后处理中，它首先要求沿壁厚拾取两个端点作为路径。软件系统则在路径上通过内插法自动生成47个插值点，并把计算结果映射到路径上。然后运用软件内置计算公式进行应力分类，取最大应力位置的一条路径。如图7。在内压及其自重下，路径上的薄膜应力，薄膜加弯曲应力可以视为一次加二次应力，三条路径上的应力见表2。

表2 加氢反应器裙座支撑区机械应力评定路径线处理结果Table 2 The results of hydognation reactor skirt support area of mec hanical stress path

图7 路径1-1应力云图Fig.7 1-1 cloud stress path

4 强度校核[9]

按照ASME 锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第二册中AD-14O设计准则的规定，强度校核采用最大剪应力理论，应力强度规定为最大剪应力的2倍,即

式中:S12=σ1﹣σ2;S23=σ2﹣σ3;S31=σ3﹣σ1

S—应力强度;

σ1—第一主应力;

σ2—第二主应力;

σ3—第三主应力。

根据ASME 锅锅炉及压力容器规范第Ⅶ卷第二册强制性附录4 ( 以应力分析为基础的设计) 中的规定：

（1）一次总体薄膜应力强度Pm应不超过设计许用应力强度值Sm，即Pm≤Sm。

（2）一次局部薄膜应力强度许用极限PL为1.5Sm，即PL≤1. 5Sm。

（3）一次局部薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度PL+Pb的许用极限为1.5Sm，即：PL+Pb≤1.5Sm。

（4）一次局部薄膜应力加一次弯曲应力及二次应力的应力强度PL+Pb+Q的许用极限为3Sm，即：PL+Pb+Q≤3Sm。

其中Sm为许用应力。

根据上述规定，可对本分析中的最大应力经行强度校核，(Sm=157 MPa)见表3。

表3 最大应力点强度校核Table 3 The strength check of maximum stress Point

从表3 可见，强度校核评定结果均属安全。

5 结束语

(1) 本文应用有限元软件ANSYS对加氢反应器裙座支撑区进行了和应力分析，并根据应力分析设计方法，采用ASME 第Ⅶ卷第二册的规范对其危险截面进行了强度校核，认为该加氢反应器裙座支撑区在正常操作运行过程中是安全的。

(2)裙座壁厚对加氢反应器裙座支撑区最大当量应力存在于筒体和圆形封头处，所以在设计时应考虑在工艺、制造及条件允许的情况下，应该尽量增加裙座壁厚。

(3)有限元分析计算提供了可靠而丰富的各种应力数据，对设计来说应用起来很方便。

(4)同时也要就我们充分了解复杂应力的分布，以及对一些知识的掌握才能正确地运用这个软件，才能真正的发挥出其独特的优越性。

［1］陈洪军，王呼佳.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社，2006:110-235.

［2］崔静.加氢反应器h型锻件与裙座连接侧厚度的确定[J].压力容器，2004,20(6):23-26.

［3］JB4710—1992钢制塔式容器[S].

［4］JB4732—1995钢制压力容器——分析设计标准(第一版)[S].

［5］贺匡国.压力容器分析设计基础[M].北京:机械工业出版社,1995: 88-120.

［6］刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2002:45-90

［7］郭崇志，陈文昕，纪昌盛.大型薄壁压力容器Shell5单元模型的应力线性化分析[J].化工机械没，2005,32:275-278.

［8］杨德生，缪正华，赵国臣.应力线性化原理在压力容器分析设计中的应用[J]．化工装备技术，2010,32(1):21-22.

［9］ASME SECTION-VIII-1 ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷卷1:压力容器建造规则,2007版[S].

Mechanical Stress Analysis of Hydrogenation Reactor Skirt Support Area

ZHANG Yan-jun,REN Jian-ming
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The hydrogenation reactor is a kind of important equipment for production of petroleum products. Because the hydrogenation reactor works under high temperature and high pressure condition, and it has high mechanical stress, mechanical stress analysis of skirt support area is more significant and shouldn’t be ignored during the design. In this paper, the finite element model of the hydrogenation reactor skirt support area was established by using ANSYS software, and its mechanical stress was analyzed.

Mechanical stress ; Finite element analysis ; Skirt a support area ; Linear stress analysis

TQ 050.1

A

1671-0460（2011）11-1152-04

2011-09-15

张彦军（1985-），男，内蒙古乌海，硕士，2009年毕业于辽宁石油化工大学，流体密封：流体密封。E-mail：422078094@qq.com。