加氢反应器h型锻件与裙座连接侧厚度的确定

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1、加氢反应器h型锻件与裙座连接侧厚度的确定作者：崔静高炳军张及瑞王俊宝摘要：采用有限元法对加氢反应器h型锻件与筒体、封头及裙座连接区进行了机械应力与温度应力分析，并对关键位置进行了应力评定，发现h型锻件与裙座连接侧的厚度不能仅根据JB4710—1992《钢制塔式容器》确定的裙座厚度决定，而应按分析设计的观点进行应力分析，以充分考虑h型锻件与裙座间变形协调所引起的边缘应力及温度应力，进而确定h型锻件与裙座连接侧的合理厚度。关键词：加氢反应器；裙座；分析设计；变形协调；温度应力1前言加氢反应器是石油产品加工中的关键设备，在下封头处通常采用h型锻件（图1

2、）。h型锻件上部连接筒体，下部连接封头及裙座。h型锻件的三个基本厚度一般设计为分别等同于筒体、封头及裙座的厚度。虽然加氢反应器按分析设计标准设计，但由于裙座是非受压元件，其厚度一般仍依据JB4710—1992《钢制塔式容器》［1］进行设计计算，然而用此厚度确定h型锻件裙座连接侧厚度却未必妥当。主要原因在于，加氢反应器主体所承受的压力较高，裙座与加氢反应器主体连接势必存在边缘应力，而且在一定的压力范围内，这种边缘应力会很大，同时温度应力的存在使连接区的应力状况更为复杂。因此，应当以根据JB4710—1992确定裙座厚度为参考，对该部位进行详细的应力

3、分析，按分析设计的方法进行应力评定，以便合理的确定h型锻件裙座连接侧厚度。图1h型锻件结构示意图笔者以一台在用年产60万吨汽柴油加氢精制反应器为例，利用ANSYS有限元程序进行应力分析与评定，并确定其h型锻件裙座连接侧的合理厚度。2h型锻件应力分析2.1加氢反应器原始设计条件及尺寸设计条件为设计压力P=8.83MPa，设计温度T=347℃；材料为锻钢2.25Cr-1Mo；设计温度下许用应力强度Sm=115.5MPa。原始尺寸为筒体内半径R1=1406.5mm，壁厚t1=87mm；球封头内半径R2=1424mm，壁厚t2=52mm；裙座壁厚t3=2

4、2mm；过渡圆角半径r=20mm，锻造高度H=568mm。其中裙座厚度满足JB4710—1992要求。2.2有限元计算模型（1）机械应力计算模型机械应力计算模型如图2所示，采用轴对称模型，其中与h型锻件连接的筒体及裙座的长度足够长，远大于2.5倍［2、3］的边缘应力衰减长度。图2机械应力计算模型由于主要讨论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。载荷及约束见图2，其中，筒体端部以面力P1模拟封闭筒体受力情况。（2）机械应力加热应力计算模型机械应力加热应力计算模型如图3所示，图中填充部分为保温层，保温层厚度为180mm，进行热应力分析

5、时采用8节点四边形热单元（plane55）［4］。图3机械应力加热应力计算模型在边界1上为保温层与空气，以及裙座与空气的对流边界，边界2为加氢反应器内部流体介质与容器器壁的对流边界，边界3为绝热边界。介质温度为Tf=347℃，空气温度为T3=20℃，实测容器外壁温度为T1=325℃，空气对流传热系数为α1=12W/m2·℃，保温层（微孔硅酸钙）热传导系数为λ1=0.134W/m·℃，h型锻件的热传导系数为λ2=35W/m·℃。内部流体介质与容器器壁的对流传热系数可根据实测容器壁温、介质温度，用逆推法得出。对于圆筒定态热传导，通过各层的热传导速率都

6、是相同的。热传导速率方程式［5］如下：式中Q1———热传导速率，Wλ———热传导系数，W/m·℃r———圆筒半径，mS———圆筒内外壁表面积，m2对于对流传热，其对流传热速率方程［5］如下：Q2=αS△t（3）式中Q2———对流传热速率，Wα———对流传热系数，W/m2·℃△t———流体与壁面间的温度差，℃对于圆筒定态热传导，通过各层的传热速率都是相同的，所以Q1=Q2，由此推出介质的对流换热系数α=14W/m2·℃。2.3计算结果及分析利用该模型的原始尺寸进行计算，第三强度理论相当应力等值线云图如图4、5所示。图4原设计机械应力云图图5原设计机

7、械应力加热应力云图由图4及图5的云图可见，对于h型锻件这种特殊的结构形式，原设计情况下，h型锻件裙座连接区外侧由于变形协调应力水平较高。由图4及图5的云图可见，对于h型锻件这种特殊的结构形式，原设计情况下，h型锻件裙座连接区外侧由于变形协调应力水平较高。选取截面1-1、2-2（图6）进行应力评定，其中截面1-1对应纯机械应力时的最大应力点，截面2-2对应机械应力加热应力时的最大应力点。评定结果（见表1）表明原设计结构应力水平超标，不能满足分析设计应力评定标准的要求。图6应力评定截面示意图3型锻件裙座连接侧厚度合理确定由上述应力分析与评定可见，h型

8、锻件裙座连接侧的厚度不宜直接根据由JB4710—1992《钢制塔式容器》计算得到的裙座厚度来确定，而应以其为参考，进行详细的应力分析并评