超高压反应器的应力分析和设计.pdf

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1、184化工机械2014年超高压反应器的应力分析和设计谭立平+(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司)摘要为了加强生产聚乙烯的管式反应器的使用和管理，对管式反应器所采用的设计理论进行选择，对设备自增强前、后的强度和应力进行了分析。关键词超高压反应器应力分析弹性变形塑性变形自增强中图分类号TQ051．3文献标识码A文章编号0254-6094(2014)02-0184-06生产低密度聚乙烯需用超高压力将乙烯、乙烯乙酸脂和添加剂(过氧化物)聚合。超高压力的获得通过两台活塞式压缩机(即一次机和二次机)将压力升到340MPa(设计压力)左右。如果反

2、应器直径取得过大，根据lame公式其壁厚会非常大，因此笔者设计的反应器壳程内径为75mm。设备材料选取高强度、高韧性的中碳钢K12X，此材料经调质处理，其力学性能相当于ASME标准中的SA723Gr3C13。由于设备含碳量较高，反应器与接管的连接不允许焊接，因此只能采取法兰连接。笔者介绍了设备自增强前、后的强度和应力计算。1管式反应器的设计参数笔者设计的反应器为带夹套的管式反应器，其设计参数见表1。表1管式反应器的设计参数340．0MPa，超过GB150的最大压力35．OMPa，也超过JB4732设计标准的最大压力100．OMpa，所以上述

3、两个标准已不适用，需要用合适的失效准则来解决超高压容器的应力和设计问题。2设备材料的参数国内目前没有设计压力大于100．OMPa的压力容器设计和制造标准，只有《超高压容器安全技术监察规程》安全法规，设计和制造单位也没有相应的资质，故此设备的设计和制造由国外有资质的公司承担。管式反应器内管材料K12X(SA723Gr3C13)的屈服强度和拉伸强度见表2，其力学性能如下：屈服极限R曲．21000MPa抗拉强度R。1100～1260MPa布氏硬度HB350～390冲击功80J(纵)、60J(横)表2设备材料K12X设计温度下的屈服强度和拉伸强度M

4、Pa3设备的应力分析理论由于夹套的压力为6．4MPa，较340．OMPa国内压力容器设计标准GB150是常规设计，低，可按GB150-2011《压力容器》进行设计、选材即设备基于弹性失效准则进行强度分析，然后按和应力分析。设备壳程(内管)的设计压力为照第一强度理论进行设计。设备内某一点的应力}谭立平，男，1962年12月生，工程师。北京市，100011。第41卷第2期化工机械185若达到或超过材料的屈服极限，则认为设备失效，且考虑设备制造和材料的缺陷，设置了较大的安全系数。JB4732是应力分析设计规范，设备壳体基于弹塑性失效准则进行强度分

5、析，然后按照第三强度理论进行设计。除了对筒体一次总体薄膜应力进行计算外，还对应力集中、壁厚变化、接管处的局部应力采用建模的方法进行详细的应力分析。常规设计在超高压容器设计中有其局限性。GB150中壁厚平均公式成立的前提是假设设备壁厚从里到外的应力相同，但实际设备内部应力大，外部应力小。那么当设备内压很大时，内壁就会先屈服变形，而外壁还处于弹性变形阶段。若设备壁任意一点达到屈服极限，设备就失效，设备材料没有得到充分利用。JB4732根据P是否大于或等于0．4KS。，分别采用弹性变形理论和整体屈服理论进行计算。超高压管道都是采用屈强比很高的材料

6、，对于一般塑性材料，当设备达到完全屈服时，材料会产生硬化，但离设备爆破和整体屈服还有一段距离。为了合理地利用材料，以超高压容器爆破时的设备内压理论为基础较为合理，且考虑一定的安全系数。例如设备材料采用K12X，设备内径为75mm，设计压力P=340．OMPa，设计温度为300℃。材料K12X在300℃下的许用应力为305MPa，按照GB150常规设计的平均应力公式计算壁厚¨。：6=pD／(2[盯]一p)=340．0×75／(2×305—340．0)=94．4ram(1)但是设备的最大应力出现在设备内壁，内壁最大合成应力按第四强度理论计算为6

7、40MPa，虽然没超过材料的屈服极限和强度极限，但是超过了材料常规设计的许用应力305MPa。根据盯。。=1．732pK2／(K2—1)，无论壁厚取何值，设备内壁最大应力都大于许用应力305MPa，显然按照GB150计算超高压容器的壁厚是行不通的。如果设备材料还是采用K12X，按照JB4732计算设备壁厚：6=pD／(2KS-p)=68．5ram(2)其中，应力强度

8、s为356MPa。根据盯。。=1．732pK2／(K2—1)，无论壁厚取何值，设备内壁最大应力都大于JB4732中应力强度356MPa。考虑一定的安全系数，根据JB4732特雷

9、斯卡全屈服失效公式计算设备的壁厚‘引：占=D／2[exp(p／KS)一1]=60．0ram(3)设备材料为非理想塑性材料，在材料达到全屈服后还会产生硬化，以全屈服为失效准确定安全