基于ANSYS Wo rkbench的热壁加氢反应器热-结构耦合分析
2015-07-26黄河三角洲京博化工研究院有限公司山东滨州256500
刘 健（黄河三角洲京博化工研究院有限公司,山东 滨州 256500）
基于ANSYS Wo rkbench的热壁加氢反应器热-结构耦合分析
刘健
（黄河三角洲京博化工研究院有限公司,山东滨州256500）
本文研究介绍了以ANSYSWorkbench平台对热壁加氢反应器进行热-结构耦合分析，模拟分析了在实际工况下加氢反应器的热分布和应力分布，对应力薄弱点进行线性化处理得到薄膜应力和弯曲应力等各项应力结果，并与设计规范进行比较。通过运用ANSYSWorkbench的平台能方便的对多材料和复杂结构进行耦合分析，为近一步优化设计提供了可靠支持。
Workbench；加氢反应器；热结构耦合；线性化评定
0 引言
石油化工行业中加氢反应器在炼油作业中起着比较重要的地位。随着炼油工艺的改进,工程技术人员对加氢反应器的设计制造提出了更高的要求。加氢反应器的设计已经从原有的弹性失效为准则的安全设计，转化为塑性失效和弹性失效为理论基础的分析设计[1]。通过运用流体分析和结构分析软件对反应器进行内部流场温度分析及热应力耦合分析，大大提高了计算的准确性和设备的安全性。本文将以ANSYSWorkbench为平台对加氢反应器进行热应力分析，线性化评定查看强度薄弱点，从而对结构进一步优化[2]。加氢反应器的部分设计条件如表1所示：
表1 加氢反应器的设计条件
1 热壁加氢反应器的模型建立
进行有限元分析最主要的就是模型的建立，ANSYSWorkbench平台有着强大的模型接口能力，本例通过Pro/e建立加氢反应器的三维模型，并将保温层和防火层一同装配后导入Workbench中，三维模型如图1所示。
2 热壁加氢反应器的热分析
2.1定义材料属性并划分网格
运用ANSYSWorkbench可以方便对多材料进行属性设置，该热壁加氢反应器一共包括筒体、裙座、保温层和防火层4种材质，进行热分析时要分别设置这4中材质不同温度下的导热系数[3]。其中保温层的导热率为0.0001W/(m.°C),防火层导热率为0.0014W/(m.°C)。网格划分选择自动映射划分，在薄壁和倒角位置适当加密网格。运用Workbench对装配体进行一体划分，可以方便的将接触面自动划分，而且省去了繁琐的定义接触对的步骤提高了分析效率。划分网格后的三维模型如图所示：
2.2定义热分析边界条件
热壁加氢反应器正常工作时温度基本保持稳定，选择Steady-StateThermal稳态热分析。按照设计温度454°C的条件，设定筒体及法兰头内壁为Temperature边界，设置保温层外侧及裙座内壁为对流面Convection边界，筒体断面和裙座地面为绝热边界。其中对流面的对流系数要根据对流边界外部真实环境而定。
2.3稳态热分析求解并查看结果
通过求解得到加氢反应器在设计工况下的热场分布图3所示。从图中可以看出整个筒体和法兰头温度都保持在400度以上，在筒体保温层的作用下外侧温度为80度左右，裙座部分温度从上往下递减。
3 热-结构耦合分析
3.1材料属性设置
通过上述对加氢反应器进行稳态热分析得到其热场的分布，通过Workbench建立热分析和结构分析的耦合关联，为后续进行热应力分析导入热载荷。
在进行应力分析时，对加氢反应器不能输入常温的弹性模量，且要考虑筒体材料和裙座材料的不同。进入结构静力分析后定义加氢反应器筒体和裙座的不同温度下的弹性模量及热膨胀系数。运用Workbench内的EngineeringData定义两种材质的属性，应用Tabular可以方便的添加多参数的属性。表2为筒体在不同温度下的热膨胀率和弹性模量[4]。
表2 筒体不同温度下的参数
3.2设置载荷并求解
将三维模型和热分析结果分别关联到结构分析中后，应力分析不再需要保温层和防火层，留下筒体和裙座进行应力分析。载入热分析结果作为热载荷，设置筒体内压力为设计压力18.94MPa,筒体断面的轴向拉力为7.19E7MPa，法兰接头拉力为6.9E6MPa,裙座底部为固定约束。求解计算得到的压力和温度共同作用下的分析结果如下图所示。从图5看到位移最大点在筒体断面处，应力最大在热箱上内侧的倒角处。
4 结果应力线性化评定
应力分析最终目的是进行强度评定，现选择三处应力相对比较集中的位置进行线性化结果分析[5]。
分别提取图7中所表示出来的3条路径的线性结果。其中路径2的线性化结果如下所示。
根据国标JB4732-95的规定，通过提取三个路径的线性化结果对结果进行强度评定：路径1PL=80MPa＜1.5Sm=294MPa，
PL+Pb+Q=154.9MPa＜3Sm=588MPa强度符合；路径 2PL=163.8MPa＜1.5Sm=294MPa，PL+Pb+Q=169.8MPa＜3Sm=588MPa强度符合；路径 3PL=143.4MPa＜1.5Sm=294MPa，PL+Pb+Q=99.9MPa＜3Sm=588MPa强度符合要求。
5 结论
运用ANSYSWorkbench平台对热壁加氢装置进行热-结构分析，充分考虑的不同材质在不同温度下的参数设置，保证了计算结果更贴近于实际情况。通过线性化后处理给出应力分量对其进行强度评定，为化工类设备的结构优化提供了参考。
[1]张振戎.加氢反应器的发展历史[J].化工装备技术,2009(02):1～5.
[2]程新宇,冯晓伟.基于ANSYS_WORKBENCH的压力容器接管应力分析[J].石油与化工设备.2011(04):1～4.
[3]王洪海.加氢反应器瞬态温度场数值模拟[J].石油机械,2007(07):1～3.
[4]丁欣硕,凌桂龙.数控加工工艺ANSYSWorkbench14.5有限元分析案例详解［M］北京：清华大学出版社,2013.
[5]栾春远.压力容器ANSYS分析与强度计算[M].中国水利水电出版社,2013(01):231～253.
刘健(1983-)，男，2007年本科毕业于辽宁工程技术大学，主要从事化工设备、压力容器的设计工作。
