冷氢化流化床反应器筒体与封头焊接结构的应力分析

盛长海

（亚洲硅业（青海）有限公司，青海 西宁 810007）

冷氢化流化床反应器筒体与封头焊接结构的应力分析

Stress analysis ofwelded structures between cold hydrogenation f uidized bed reactor cylinder and head

盛长海

（亚洲硅业（青海）有限公司，青海 西宁 810007）

流化床反应器是多晶硅冷氢化工艺生产过程中的核心设备。本文针对该设备的设计规范、材料要求，从焊接模型应力分析和强度校核，提出了有效的焊接方案，保证了流化床反应器的使用性能和安全性能。

流化床反应器；筒体 ；封头；焊接模型；应力；强度

0 引言

冷氢化技术是将多晶硅生产过程中产生的副产物四氯化硅同步转化为生产多晶硅所需要的中间原料三氯氢硅，实现物料的闭路循环，此工艺不仅彻底解决了多晶硅生产尾气污染环境问题，而且实现了四氯化硅等副产物的回收利用，大大降低了生产成本。

流化床反应器是冷氢化工艺的关键设备，其流化床反应器的材质通常选用N08810系列合金，筒体与球形封头均为焊接而成。根据薄壁壳体无力矩理论，球形封头的壁厚约为圆筒体壁厚的一半，二者厚度相差较大。根据GB150焊接结构，可以采用堆焊方法将球形封头薄壳边缘局部加厚，焊成平滑的切线曲面补强悍接模型，使过渡段应力降低到最小值，满足过渡段焊接的设计要求。

1 焊接模型（图1）

假设流化床反应器设计压力为3 MPa，设计温度为590 ℃，筒体内半径R1=1 000 mm，壁厚t1= 70 mm；球形封头内半径R2=1 010 mm，厚度t2= 45 mm。过渡段长度L≥（t1-t2）/2×3，L取90 mm，过渡段切线曲面补强焊接模式见图2。

2 筒体与封头连接模型二维应力分析

假设只考虑连接处应力计算，可采用二维轴对称模型。封头与筒体的壁厚不同，采用切线堆焊连接而成。二维轴向应力最大值为53.1 MPa，径向应力最大值为48.7 MPa，环向应力最大值为61.9 MPa。在筒体内壁，Von Mises最大应力为57.2 MPa，由图3所示，Tresca最大应力为66 MPa，见图4。

图1 高压容器简体与封头连接处结构

图2 切线曲面补强焊接模式

图3 Von Mises应力

图4 Tresca应力

3 筒体与封头切线补强堆焊模型三维应力分析

流化床反应器由于是轴对称，且上下对称（略去管道分布不同）故采用1/8的计算模型。Von Mises最大应力值和所在位置与二维计算结果一致，如图5所示。Tresca最大应力值和位置与二维计算结果一致，如图6所示。

4 强度校核

筒体材料属于塑性破坏（失效），故选择第四强度理论的强度条件。不发生塑性屈服的强度条件：

σv=56.7 MPa

UNS N08810/W.Nr.1.4958常温下的屈服极限为：σ0.2=1 800 kg/cm2=180 MPa

屈服安全系数ns=σ0.2/σv=180/56.7=3.17

这样的安全系数是满足要求的。

图5 Von Mises最大应力值和所在位置与二维计算的结果

图6 Tresca最大应力值和位置与二维计算的结果

5 结论

通过筒体伸长削边和球形封头薄壳边缘局部加厚，焊成平滑的切线曲面补强焊接模型，使过度区域应力降低到较小值。切线堆焊Von Mises最大应力57.2 MPa，Tresca最大应力66.6 MPa，均满足设计温度下N08810的许用应力，切线堆焊的最大应力不在过渡段的焊缝连接处。最大应力均在允许的范围之内，满足了过渡段焊接的设计要求。

［1］ GB150.3-2010设计（附录D：焊接接头结构）.

［2］ 宋四兵，吴勇，郭俊霞. 多晶硅冷氢化反应器NUS NO8810厚壁封头焊接工艺研究. 石油和化工设备，2012.10.

TQ264

1009-797X （2015） 16-0047-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.11

盛长海（1975-），男，学士学位，工程师，研究方向为多晶硅生产管理。

2015-06-28