塔式容器裙座热应力耦合分析_白云波.pdf
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1、Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 4 月第 46 卷第 2 期Apr.2023Vol.46 No.21概述塔式容器的操作温度较高或温度变化较大时,壳体和裙座连接处将产生很大的热应力或温差应力,对塔式容器的安全运行构成威胁。因此,在塔式容器设计中,需要采取一定的措施降低温差应力的影响。塔式容器设计规范中规定:当塔壳下封头的设计温度大于或等于 400 时,在裙座上部靠近封头处应设置隔热圈1。隔热圈与裙座和封头组合成热箱,热箱不仅起到保温的作用,还可以在邻近部件温度不同时,通过空气对流传热使邻近的部件温度趋于一致,从而达到降低温差应力
2、的目的。隔热圈结构大大减小了温差应力的影响,但是在设计过程中,设计者最好对塔式容器裙座处的温度场进行计算,其目的有两方面:确保设置隔热圈后,塔式容器各种载荷耦合温差应力后仍满足强度要求;在设计时,裙座和壳体的结构不连续处要避开最大热应力的区域2。国内很多专家学者对裙座热应力进行了研究。高勇3对不同温度和压力下裙座热应力的影响进行研究,并对 Q235 和 16Mn 这两种材料裙座支撑区的热应力进行研究,研究表明 Q235 较 16Mn 热应力更低,适合作为筒体和裙座制作材料。李明4对热箱高度和裙座厚度对热应力的影响进行研究,研究表明热箱高度增加时可以有效降低热应力,裙座满足机械载荷的前提下,厚度
3、不宜取过大。谈永明5对焦炭塔裙座和壳体连接形式进行研究,研究表明整塔式容器裙座热应力耦合分析*白云波1,2,张亚宁1,杜常宗1,2(1.宁夏神耀科技有限责任公司,宁夏银川 750000;2.浙江大学,浙江杭州 310007)摘要:分析某变换反应器裙座处隔热圈设置与其对应力的影响。计算结果表明,设置隔热圈时裙座处金属温度相对较高,但是温度梯度较小,对于消除裙座热应力作用明显。设置隔热圈时最大总应力是不设置隔热圈时的50%。塔式容器裙座设计时,壳体和裙座连接处要避开最大应力部位。关键词:塔式容器裙座隔热圈热应力收稿日期:2022-07-15;收到修改稿日期:2022-12-26。作者简介:白云波,
4、男,1986 年 9 月出生,本科学历,工程师,2010年毕业于中国石油大学(华东)机械设计制造及其自动化专业,浙江大学研究生在读,现在宁夏神耀科技有限责任公司气化开发部从事新型煤气化技术开发和大型辐射废热锅炉气化炉研发工作。联系电话:15609500697;E-mail:。*基金项目:宁夏回族自治区 2017 年重点研发计划(沿黄试验区科技创新专项)(2017BY049);宁夏回族自治区 2018 年重点研发计划(重大科技专项)(2018BCE01004)。体锻焊和堆焊结构优于搭接和其他对接结构。殷昌创6研究了热箱高度和堆焊角度对裙座热应力的影响,研究表明温差应力在裙座支撑结构的总应力中占主
5、导地位,热箱高度大于一定值后继续增加热箱高度对总应力变化影响很小。本文以某变换反应器为例,对裙座处设置隔热圈前后的应力进行计算对比。变换反应器操作工况的特点是压力不高,温度很高。裙座与壳体连接部位是反应器的高应力区之一。本文主要考察隔热圈对热应力的影响,因此计算中忽略风雪载荷、地震载荷和管道载荷。通过分析计算,得出设置或不设置隔热圈时,裙座最大应力的值和位置,在此基础上,对壳体和裙座连接方式提出设计建议。2变换反应器基本参数变换反应器结构见图 1,计算参数见表 1。壳体和裙座材料的弹性模量、线膨胀系数、导热系数见表 2。其中保温材料和耐火材料导热率数据由供应商提供。0882023 年第 46
6、卷图 1变换反应器结构表 1计算参数项目参数计算压力 MPa3.87计算温度(容器内 容器外)450 22保温层厚度 mm220耐火材料厚度(裙座内 裙座外)mm30 30操作质量 t430壳体材质14Cr1MoR裙座材质Q345R表 2材料属性7温度 导热系数 (Wm-1-1)弹性模量 (103 MPa)线膨胀系数 (10-6 mmmm-1-1)14Cr1MoRQ345R保温材料耐火材料14Cr1MoRQ345R14Cr1MoRQ345R2041.00 60.40 0.0540.1820419111.511.510040.60 58.00 0.0650.1820018712.112.1150
7、40.40 55.90 0.0710.1819718412.412.420040.10 53.60 0.0750.1819318112.712.725039.80 51.40 0.0820.1819017813.013.030038.70 49.20 0.0880.1818617413.313.335037.80 47.00 0.0940.1818317113.613.640036.80 44.90 0.1000.1817916713.813.845035.80 42.70 0.1080.1817416314.114.150034.80 40.50 0.1120.1816915814.414.
8、43无隔热圈时变换反应器裙座应力3.1温度场计算本次计算忽略风、雪载荷、地震载荷、管道载荷,力学模型为轴对称模型。在 ANSYS 中建立无隔热圈及底部保温材料的几何模型并导入材料数据。设置热边界条件见图 2。热边界条件说明如下:A:变换反应器内部介质与内壁对流换热。采用第一类热边界条件时,无隔热圈的球形封头外壁无保温部位的传热将违反边界条件,因此边界 A 采用第三类热边界条件:450,1.1810-3 W mm28。B:反应器筒体上端、下部球形封头接管底端绝热边界,热流 0。C:裙座内外部防火层与空气的对流边界,22,1.0810-6 W mm2。D、F:热箱内倒角及其以下的反应器球形封头外壁
9、、裙座内壁辐射传热边界,该部位温度由大变小,因此分为两个边界,300 200,辐射换热系数 0.59。E:反应器外部耐火材料与空气的对流边界,22,1.0810-6 W mm2。G:考虑无隔热圈时,空气的对流作用,设置边界 G 为热箱内倒角以下的反应器球形封头外壁、裙座内壁与空气的对流边界,200,610-6 W mm2。图 2无隔热圈工况热边界条件计算得到整体结构温度分布,温度场计算模型及结果见图 3。从图 3(b)可以看出在裙座与壳体连接处有较大的温度梯度,要重点考察此处的总应力。089第 2 期白云波等.塔式容器裙座热应力耦合分析图 3无隔热圈工况温度场计算模型及结果3.2热应力耦合机械
10、应力分析进入静力学分析模块,据操作条件设置见图 4(a)边界条件,说明如下:A:变换反应器内压力 3.87 MPa。B:由内压引起的变换反应器筒体反向推力在筒体圆环截面上的压强。C:由内压引起的变换反应器底部接管反向推力在接管圆环截面上的压强。D:变换反应器裙座底部固定约束。E:由变换反应器操作重量引起的筒体圆环截面上的压强。F:上一步计算的温度场。求解得到变换反应器的应力分布,最大总应力为 721 MPa,位于裙座与壳体连接内圆角相切处,该点温度为 390,附近温度梯度较大。热应力耦合机械应力模型及结果见图 4(b)。图 4无隔热圈工况热应力耦合机械应力模型及结果过最大应力点沿裙座壁厚方向为
11、路径做应力分类线 SCL1,见图 4(b)。对路径上的应力进行等效线性化处理。由于该部位在结构不连续处,其薄膜应力为一次局部薄膜应力,按照 S进行评定。薄膜加弯曲应力是由机械应力和温差应力同时引起,属于一次局部应力加二次应力,按照 S进行评定。S、S均评定不合格,评定结论见表 3。表 3无隔热圈工况应力强度评定 MPa评定位置应力强度及组合应力强度评定依据设计温度下材料许用应力强度 Smt应力强度计算值应力强度许用值结论裙座与变换反应器连接处 SCL1一次加二次应力强度 SIVSIV 3Smt127.4526.113127.4=382.2不合格一次应力强度 SISI Smt127.4178.1
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