杨晓
摘 要
Davy甲醇合成反应器封头开有5个大尺寸密集排布的接管，该结构未采用联合补强，在GB/T150规范要求下无法通过计算。本文运用有限元计算方法，对最危险工况下的甲醇合成反应器进行局部应力分析，参照有限元分析结果，按ASME SEC.VIII DIV.2《Alternative Rules》中的相关要求对局部结构，采用Mises应力进行强度评定。经计算，该种结构满足强度要求，为后续的工程设计提供了依据。
关键词
密集开孔;有限元;强度評定
中图分类号： TQ223.121 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.027
随着甲醇工业生产能力的提升，设备在向大型化方向发展，Davy甲醇反应器也推陈出新，结构上不断出现新的设计思路，最新的Davy甲醇反应器结构上更为复杂，采用悬浮式换热管板，并将管板与封头处接管直接相连以平衡换热管拉力，这导致封头的5个大尺寸的接管密集排布，此种结构不满足现有的设计规范GB/T150的设计要求。笔者以有限元分析计算为基础，对反应器的大尺寸密集开孔进行分析计算，以达到更安全的结构[1-2]。
1 设备概况
甲醇合成反应器为塔式列管反应床，反应器结构如图1所示。筒体直径3715mm，厚度130mm;封头为球形，直径1880mm，厚度100mm，成型厚度85mm;管板为悬浮式设计，上端与封头上接管相连，下端与换热管连接，直径1150mm，厚度180mm;中心接管M2，内径750mm，壁厚120mm;环形排列接管N4A～N4D，内径620mm，壁厚120mm。设计参数及材料参数分别见表1、表2。
2 危险工况分析
甲醇合成反应器管板的安装形式为浮动式，管板连通管箱，与反应器外壳体封头上的相应接管相连。因此管板及管束依靠反应器外壳体上相应接管支撑。由于管束与管板连接的过渡段采用弯管的形式，为挠性结构，因此可以忽略管束对上下管板的竖向位移约束作用。由于管板自重对管板应力影响可以忽略，因此管板危险工况暂不考虑自重的影响。
根据甲醇合成反应器的设计条件，管板设计工况下的载荷组合分为5种，如表3所示。管板的受力分为管程侧受压和壳程侧受压两大类工况，其中工况1为管程侧受压，其余工况可认为是壳程侧受压。分析工况2～工况5的载荷组合可以发现，工况5时的载荷组合是壳程侧受压工况中最大的，可以涵盖其余3种工况。因此，工况5的是甲醇合成反应器最危险的工况，计算时的载荷按工况5进行。
3 载荷条件分析
在工况5下管板对管口的载荷最大，在管口载荷计算时需同时考虑各部件重量与上述工况的组合。考虑危险工况，其载荷组合见表4。
4 计算模型及参数选取
根据圣维南原理，当筒体长度大于700mm时，筒体端部边界对筒体与封头连接部位应力的影响可以忽略。因此在建立三维模型时，筒体长度取1400mm。封头及其接管的三维模型如图3所示。网格划分采用C3D10M，封头及其接管的网格总数为363204，节点总数为584127。
筒体直边段端面采用固定支撑，限制其三个方向位移为0。计算采用结构静力学方法，材料属性及许用应力等参数均采用设计温度下的值。
4.1 封头及其接管开孔补强
工况5上封头的总体应力分布及变形如图4所示。从图中可以看出，工况5上封头的最大应力出现在接管N4B内壁与封头内壁相贯线处，最大应力395.1MPa。从图中也可看出接管N4A、N4B、N4C和N4D与封头连接部位应力分布情况是一致的，最大应力分别为380.7MPa、395.1 MPa、393.7 MPa、380.2 MPa。这种微小的差异是由于接管周围开孔情况不同以及管口外载荷引起的。
根据ASME SEC.VIII DIV.2的应力强度极限值，局部薄膜应力须满足PL<1.5KSm，二次应力PL+Q<3Sm[3]。综上，PL<1.5×159.8=239.7MPa;PL+Q<3×159.8=479.4MPa，工况5上封头及接管的强度满足要求。
3 结论
根据图纸及载荷条件，对甲醇合成反应器的封头及其开孔补强、管板和膨胀节进行了应力分析。局部结构强度的评定按ASME SEC.VIII DIV.2《Alternative Rules》。评定结果表明水冷甲醇合成反应器的封头及其开孔补强、管板和膨胀节的强度满足ASME SEC.VIII DIV.2的要求。
参考文献
[1]彭芳，王文婷.反应釜人孔结构的三维有限元分析[J].内蒙古石油化工，2018，（1）：47-48.
[2]鲁佳，李焕鸣，邓丰，李冬慧，胡彧，田雅婧.核电厂稳压器下封头电加热原件安装区开孔补强计算[J].科技视界，2018，（4）：137-138.
[3]ASME boiler and pressure vessel code-2018.VIII Rules for construction of pressure vessels Division 1[S].
