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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）。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。 （图片）
图1 h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。
2 h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 = 1406.5 mm，壁厚t1 = 87 mm；球封头内半径R2 = 1424 mm，壁厚t2 =52 mm；裙座壁厚t3= 22 mm；过渡圆角半径r= 20mm，锻造高度H = 568 mm。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。（图片）
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。（图片） （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，进行热应力分析时采用8节点四边形热单元（plane55）［4］。（图片）
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是相同的。热传导速率方程式［5］如下：（图片）
式中Q1———热传导速率，W
λ———热传导系数，W/m·℃
r———圆筒半径，m
S———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，W
α———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。（图片）
图4 原设计机械应力云图 （图片）
图5 原设计机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。（图片）
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定，进而确定锻件裙座连接侧的合理厚度。笔者利用ANSYS 提供的APDL语言，进行参数化建模，并利用其OPT模块进行搜索寻优，确定h 型锻件裙座连接侧的合理厚度。
3.1 参数化建模
进行有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果，假如求解结果表明有必要修改设计，那么就必须改变模型的几何形状并重复上述步骤，特别当模型较复杂或修改较多时，这个过程可能很繁杂和费时。ANSYS 参数设计语言用建立智能分析的手段提供了自动完成上述循环的功能，只要改变要修改的参数值，其余参数就可以随之改变，从而达到改变模型几何形状的目的。
在本文所讨论的问题中，h 型锻件的应力水平主要与裙座连接侧厚度t3有关。以t3为设计变量，利用ANSYS 提供的OPT模块进行搜索寻优，可得到合理的h 型锻件裙座连接侧厚度。
3.2 计算结果
当单纯考虑机械应力时，h 型锻件裙座连接侧厚度t3=22mm即可满足分析设计评定要求，但当施加温度载荷以后，应力增大，该厚度不能满足评定要求，为此确定该厚度不仅要考虑机械以及机械应力的情况下进行应力计算，得出裙座应力，还需温度应力。所以在综合考虑温度应力厚度t3与模型最大当量应力之间的关系曲线如图7所示。（图片）
图1 裙座连接侧厚度与最大当量应力关系 从图7可以看出最大当量应力随着支撑厚度的增大而减小，当裙座支撑厚度为33mm时，已经可以满足应力要求，所以可以确定t3=33mm。
将原设计h型锻件外侧与h型锻件裙座连接侧厚度优化后外侧的应力分布曲线进行比较，如图8所示，图中左侧为机械应力与温度应力综合作用下的应力分布曲线，右侧为机械应力作用下的应力分布曲线。从图8可以看出，优化后模型的应力水平明显降低。（图片）
图8 应力分布曲线 同时对图6中1 - 1、2-2 截面进行了应力评定，优化后结构可满足评定要求，评定结果见表1。（图片） 4 结论
对于加氢反应器这种特殊的h型锻件，由于其工作在压力、温度较高的环境下，筒体及封头自由变形较大，h型锻件与裙座变形协调过程中会在连接处产生较大边缘应力，同时温度应力的存在使连接处的应力提高。h型锻件裙座连接侧的厚度不宜根据JB4710—1992《钢制塔式容器》计算所得厚度进行确定，而应以其为参考，进行应力分析，按分析设计要求合理确定h型锻件裙座连接侧的厚度。
参考文献：
［1］ JB4710—1992，钢制塔式容器［S］.
［2］ JB4732—1995，钢制压力容器———分析设计标准（第一版）［S］.
［3］ 贺匡国. 压力容器分析设计基础［M］北京：机械工业出版社，1995
［4］ 王国强. 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践［M］西安：西北工业大学出版社 1999
［5］ 姚玉英. 化工原理［M］天津：天津大学出版社 1999
作者简介：崔静（1978- ），2000 年毕业于河北工业大学化工过程机械专业，河北工业大学在读硕士研究生，研究方向为压力容器结构优化与CAD，通讯地址：河北工业大学化工过程机械教研室300信箱。
4/17/2005
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