反应釜封头部位大开孔接管应力分析与强度校核.pdf

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1、第４２卷第１期化工机械８３反应釜封头部位大开孔接管应力分析与强度校核张君颜*苑光健刘阳陶明俊蒋文春（中国石油大学（华东）化学工程学院）摘要采用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建立某反应釜封头部位大开孔接管有限元模型进行应力分析，并用线性分析法进行强度校核。结果表明：应力最大值发生在接管与封头外壁面相贯处；设计压力条件下应力均满足强度要求。关键词反应釜封头应力分析强度校核中图分类号ＴＱ０５２．５文献标识码Ａ文章编号０２５４-６０９４（２０１５）０１-００８３-０３反应釜用于物料甲酸二甲脂的合成反应，其封头承受一定的内压。根据实际生产工艺要求，需在封头部位开一个超标接管孔。开孔结构破坏了

2、原有的应力分布并引起应力集中，使容器产生［１，２］裂纹甚至爆炸，且其理论应力分析较为复杂。随着有限元技术的发展，分析设计方法在结构强度设计和校核中得到越来越多的应用。吴和平等采用有限元法对热压机架进行应力应变计算和分［３］析，提出了改善机架应力状态的措施；文联奎利用有限元法对催化裂化装置中烟气轮机入口管线的结构、热胀应力和自重应力进行了分析，指出［４］该管系失效原因，并提出改进措施。笔者采用有限元法，建立反应釜封头开孔接管模型，并对其进行应力分析，重点校核封头和接管连接部位的强度，评定封头在使用状况下的安全性。１有限元模拟１．１几何模型和网格划分某反应釜封头是Ⅱ类压力容器（

3、图１），其最高工作压力为０．２８ＭＰａ，设计压力为０．３０ＭＰａ；工作温度为８５℃，设计温度为１００℃，介质为甲酸二甲脂，主要受压元件材料为Ｑ３４５Ｒ。图１反应釜基本结构示意图该反应釜采用标准椭圆封头，其长轴内径为２７３ｍｍ×７ｍｍ，材料的弹性模量为０．２ＧＰａ，泊松１７５０ｍｍ，壁厚为１６ｍｍ，直边长度为４１ｍｍ，接管比为０．３。轴线到椭圆长轴的距离为２８４．５ｍｍ，接管规格为*张君颜，女，１９９３年２月生，本科生。山东省青岛市，２６６５８０。８４化工机械２０１５年运用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ对封头建立模型。位进行强度校核。强度校核准则为：一次局部薄因几何参数和载荷边界条

4、件均为轴对称，故可建膜应力ＰＬ≤１．５Ｓｍ；一次局部薄膜应力加一次弯立１／２模型进行计算，其网格划分如图２所示。曲应力ＰＬ＋Ｐｂ≤１．５Ｓｍ；一次局部薄膜应力加一接管与封头连接部位划分较密，远离连接位置划次弯曲应力、二次应力Ｐ＋Ｐ＋Ｑ≤３Ｓ。一次总Ｌｂｍ分较稀疏，共９５９８２个节点、３８７３８２个单元。体薄膜应力评定均合格，此处不另行校核。笔者对以下３条路径进行了线性分析（图４）：ａ．路径１位于接管上。由于此路径距离结构不连续处较近，因此评定准则为ＰＬ≤１．５Ｓｍ、Ｐ＋Ｐ＋Ｑ≤３Ｓ。Ｌｂｍｂ．路径２位于接管与封头相贯处，几何不连续。封头由于结构不连续会产生较高的二次应图２封

5、头网格划分力，因此评定准则为ＰＬ≤１．５Ｓｍ、ＰＬ＋Ｐｂ＋Ｑ≤１．２载荷和边界条件３Ｓ。ｍ对封头和接管施加内部均布载荷，其值为ｃ．路径３位于封头上。由于此路径远离结０．３０ＭＰａ；对封头和接管横向施加ｘ方向的对称构不连续处，因此评定准则为ＰＬ≤１．５Ｓｍ、ＰＬ＋边界条件；因封头与筒体通过焊接连接，故对其底Ｐｂ≤１．５Ｓｍ。部施加固定边界条件。２应力分析封头接管区的应力强度分布云图如图３所示。由图３可知：由于接管和封头连接部位的结构不连续，导致产生了较高的应力集中，因此封头接管区的应力分布较为复杂；最大应力出现在接管与封头外壁面相贯处，其值为６２．２７ＭＰａ，但所有部位的应力

6、强度远低于材料的许用应力，因此图４路径线性分析位置局部放大示例图结构安全；另一处应力强度较大值出现在接管与在接管上，Ｐ＝５１．００ＭＰａ＜１．５Ｓ＝Ｌｍ封头内壁面相贯处，其值为５４．９７ＭＰａ。２０５．５０ＭＰａ，符合强度要求；Ｐ＋Ｐ＋Ｑ＝Ｌｂ５１．６０ＭＰａ＜３Ｓ＝４１１．００ＭＰａ，符合强度要求。ｍ在接管与封头相贯处，Ｐ＝５６．１０ＭＰａ＜１．５Ｓ＝Ｌｍ２０５．５０ＭＰａ，符合强度要求；Ｐ＋Ｐ＋Ｑ＝Ｌｂ５６．３０ＭＰａ＜３Ｓ＝４１１．００ＭＰａ，符合强度要求。在ｍ封头上，Ｐ＝２４．３ＭＰａ＜１．５Ｓ＝２０５．５０ＭＰａ，符合Ｌｍ强度要求；Ｐ＋Ｐ＝２４．６０ＭＰａ＜１．５

7、Ｓ＝Ｌｂｍ２０５．５０ＭＰａ，符合强度要求。４结束语封头与接管外壁面相贯处局部应力最高，其值为６２．２７ＭＰａ，封头与接管内壁面相贯处局部应力达５４．９７ＭＰａ，但均远小于材料许用应力，满足使用要求。接管与封头连接结构不连续区域强度校核均合格，满足强度要求。参考文献图３封头接管区应力强度分布云图［１］王志文，蔡仁良．化工容器设计［Ｍ］．北京：化学工３强度校核业出版社，２０１１：１０１．根据ＪＢ／Ｔ４７３２-１９９５对接管与封头连接部（下转第１０９页）第４２卷第１期化工机械１０９数选择分析［Ｊ］．石油机械，２００９，