直接法在加氢裂化反应器分析设计中的应用.pdf

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1、第40卷第1期化工机械直接法在加氢裂化反应器分析设计中的应用陆怡+赵国普(常州大学机械工程学院)摘要压力容器分析设计一般采用基于弹性应力分析与塑性设计准则的应力分类方法。应力分类法在工程应用中有时存在应力分类困难以及部分结构的设计结果偏于不安全等问题。针对某加氢裂化反应器上封头开孔接管结构，采用欧盟压力容器标准ENl3445提出的基于失效模式和弹一塑性分析的分析设计方法——直接法加以分析，结果表明，直接法用于压力容器分析设计简便可靠，值得推广。关键词压力容器分析设计应力分类法直接法中图分类号TQ050．2文献标识码A文

2、章编号0254．6094(2013)0l踟89-051968年，美国ASME委员会利用当时已经认可的应力分析方法以及由PVRC等组织得到的研究成果，首次颁布了ASMEⅧ-2《压力容器另一规则》，并在该规则的附录4中提出了分析设计的应力分类法¨’21。我国的压力容器分析设计标准JB4732·1995的基本思路与ASMEⅧ-2相同，采用的也是应力分类法日1。2002年，欧盟第一版压力容器设计标准ENl3“5：2002附录B中给出了一种新的分析设计方法，称为“直接法”(DirectRoute)卜1。2007年7月1日，美国A

3、SME委员会根据PVRC四十余年来的关于分析设计的研究成果，全面整理并改写老规范，颁布了全新的AsMEⅧ-22007，也给出了一种新的分析设计方法——弹一塑性法(Elastic—plasticmethod)”1。2009年，欧盟补充了与直接法配套的有关材料制造、检验等方面的内容，以及采用直接法进行蠕变工况设计的内容旧1，又发布了ENl3445：2009版本。直接法和弹一塑性法都是基于弹-塑性分析的分析设计方法，区别在于直接法按理想弹塑性材料作为材料的本构关系，不考虑材料的应变硬化性能，而弹一塑性法采用的是考虑材料应变硬

4、化的真实应力应变曲线建立材料的本构关系。目前，由于国内材料标准尚未提供各种材料的真实应力应变曲线，弹塑性法还难以应用于工程实际。笔者针对某加氢裂化反应器上部封头中心开孔接管结构，比较应力分类法和直接法进行分析设计的可靠性。1分析实例选用的加氢裂化反应器是一个同时受内压、接管力、接管弯矩作用的覆层压力容器，其上部开孔接管结构如图1所示，图中括号内数字为包含覆层材料壁厚的情况。图l加氢裂化反应器开孔接管结构设计条件为：最高工作压力为18MPa，最高工作温度400℃，常温状态下，接管力126kN，接管弯}陆怡。女，1973年

5、5月生，副教授。江苏省常州市，213016。化工机械2013年矩90kN·m。高温状态下，由于温度变化引起接管力和接管弯矩发生变化，接管力90kN，接管弯矩296kN·m。筒体、封头和接管材料均采用12Cr2MolR，覆层材料316Ti，厚度为7．5mm，腐蚀余量为0，操作循环次数为100次。2应力分类法应力分类法是以弹性应力分析和塑性失效设计准则为基础的压力容器设计方法。设计时，首先对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析，根据应力产生的原因与对结构所起的作用以及应力分布情况等进行应力分类，对不同性质的应力采用不同的

6、值加以控制。弹性应力分析时，假设容器始终处于弹性状态，材料的本构关系是线弹性的。在这样的假定下算出来的应力超过材料的屈服极限时，就不是结构的真实应力，而是“弹性名义应力”，是“虚拟应力”。因此，线弹性分析的结果不能真实反映结构中的应力或应变分布状况。目前，国内外专家通过研究均认为对应力进行正确的分类存在一定困难，应力分类需特殊的知识和识别力，应力分类方法可能产生模棱两可的结果¨’51。实例中的加氢裂化反应器上部开孔接管结构为球壳开孔接管，筒体及封头承受内压，同时接管上受到弯矩和沿接管的轴向力的作用。这时，接管与壳体连接

7、处应力可以通过有限元弹性应力分析求得，但在有限元分析计算后，经过等效线性化处理，只能得到薄膜应力和薄膜应力加弯曲应力。而弯曲应力中既有平衡外载荷所引起的一次弯曲应力，又有连接处由于变形协调所引起的边缘弯曲应力，为二次应力，但这两种成分难以区分，如果将和弯曲应力当作二次应力处理，则设计偏于不安全，而如果将它视为一次弯曲应力，则又偏于保守。在文献[5]中，将这种弯曲应力划分为二次应力，在大部分工程应用中也是这样处理的，使得结构偏于不安全。从而丧失了采用分析设计方法所希望得到的设计结果的精确性。因此采用应力分类法对上述安全性

8、要求较高的加氢裂化反应器上部开孔接管结构进行分析设计是不可靠不可行的。3直接法对于采用塑性材料制造的压力容器，按照基于弹性应力分析的应力分类法进行设计，实际上是很难通过结构中的应力分布来正确判断结构的极限承载状态的，因此也就无法判断在容器中最大应力达到多大，或者容器中多大一片区域发生屈服时，容器会发生垮塌并失效⋯。直接法是基于失效