氨合成塔封头结构设计与应力分析

曾玲芝

（长沙威重化工机械有限公司）

氨合成塔封头结构设计与应力分析

曾玲芝*

（长沙威重化工机械有限公司）

按GB 150规范对氨合成塔的封头进行了结构设计和强度校核；利用ANSYS软件建立封头模型并对该模型进行了应力分析；选择封头对应处的ANSYS计算结果与经典公式计算结果作对比，检验了ANSYS结果的正确性。

氨合成塔 封头 结构设计 应力分析 压力容器

目前，国内氨合成塔的常规设计采用弹性强度理论，用较大的安全系数来保证其安全性，局部设计采用近似计算。而分析设计使用的ANSYS软件能够很好地模拟计算各种工况下的应力水平，为结构的设计提供依据。

本文按GB 150规范对氨合成塔的封头进行结构设计和强度校核；利用ANSYS软件对该封头模型进行应力分析，获得了几个重要的结论。

1 球形封头强度计算及校核

氨合成塔球形封头结构如图1所示，所用材料为Q345R。设计温度下球形封头的计算厚度 δ为：

式中 δ——球形封头的计算厚度，mm；

图1 封头结构

2 球形封头应力分析

容器开孔后，在孔边附近的局部地区会达到很大的应力值。压力容器中这种应力集中现象，通常用应力集中系数来表示。

（1）经典力学计算

①对于球壳上平齐接管，由

计算出接管1应力集中系数

（2）有限元计算

考虑到模型的不对称性，建模时采用全模型，其结构如图2所示。采用solid 185实体单元，以自由方式与扫掠方式划分网格，其网格图如图3所示。

①接管端面施加平衡面载荷，应力云图见图 4～图 7。

图2 球形封头实体模型

图3 球形封头网格模型

图4 球壳Z-X轴周向应力云图

图5 球壳Z-XY轴周向应力云图

图6 球壳Z-X径向应力云图

图7 球壳Z-XY径向应力云图

②筒体及接管内壁施加设计压力。

约束条件：

①约束筒体端部的轴向位移，并且在x=0的节点上分别约束X方向位移；

②在y=0的节点上分别约束Y方向位移。

所得球壳周向应力云图见图4、图5；球壳的径向应力与轴向应力云图见图6～图9；球壳的应力强度云图见图10～图11；球壳的位移变化见图12～图 13。

图8 球壳Z-X轴向应力云图

图9 球壳Z-XY轴向应力云图

图10 球壳Z-X轴应力强度云图

图11 球壳Z-XY轴应力强度云图

图12 球壳Z-X轴位移云图

图13 球壳Z-XY轴位移云图

由图可知，除开孔区外，其它区域应力强度小于170 MPa，均满足强度要求。

（3）各接管的孔边缘应力

各接管的孔边缘应力云图见图14～图16。

由图14接管1孔边缘应力云图，得到孔边缘处的最大应力为σmax=238.45 MPa，故应力集中系数为：

图14 接管1孔边缘应力云图

图15 接管2孔边缘应力云图

图16 接管3孔边缘应力云图

由图15接管2孔边缘应力云图，得到孔边缘处的最大应力为σmax=280.73 MPa，故应力集中系数为：

由图16接管3孔边缘应力云图，得到孔边缘处的最大应力为σmax=243.11 MPa，故应力集中系数为：

上述结果均与理论分析一致，说明了有限元计算的正确性。

由三个接管边缘处的应力计算可知，计算出的应力值已经超出了许可应力值，且最大应力值出现在球壳和接管的连接处，因此，应进行合适的补强处理。

3 结束语

（1）用GB 150规范对氨合成塔的封头进行了结构设计和强度校核，球形封头的名义厚度取140 mm，强度满足要求。

（2）对于应力集中和不连续应力等在理论上难以解决的问题，利用有限元方法可计算出较精确的结果，能验证该压力容器运行的安全性。

（3）通过有限元计算可知，球壳和接管的连接处出现很高的应力集中，应进行合适的开孔补强。

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[6] 路秀林，王者相，等.塔设备 [M].北京：化学工业出版社，2004.

Structural Design and Stress Analysis of the Ammonia Synthetic Tower Shell Cover

Zeng Lingzhi

The structural design and strength check of the ammonia synthetic tower shell cover was determined based on the standard of GB150；ANSYS software was applied to build the model of the shell cover and the stress analysis was carried out；by comparing the corresponding results calculated by the ANSYS software with the results calculated by the classical formula，the validity of the results calculated by the ANSYS were verified.

Ammonia synthetic tower； Shell cover； Structure design； Stress analysis;Pressure vessel

TQ 052.4

*曾玲芝，女，1980年6月生，工程师。长沙市，410100。

2011-03-21）