反应釜多接管封头有限元分析

郑贤中，付 杰，刘根战，罗 燕, 曹吉胤，杨 侠

(1.武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430205；2.西安航天发动机有限公司，陕西 西安 710100)

0 引言

反应釜通常用来完成复杂工艺过程，本文涉及的反应釜是用来完成铝水反应制氢工艺过程，其内部需要承受一定强度的压力。且反应釜的封头部位有5个接管，中间位置接管N1是进料口，尺寸较大，较大的开孔会破坏原封头的结构[1]，导致封头上的应力分布产生变化并引起应力集中现象，造成材料失效，使封头部位发生过度变形甚至破裂等[2]，这将导致反应釜内氢气泄漏造成重大安全问题。因此分析反应釜封头上的应力强度具有重要意义。本文使用SolidWorks对反应釜封头建模，使用ANSYS有限元分析软件对其进行详细的应力分析[3]，确保其满足应力强度要求。接着对封头上平齐式和内伸式接管结构进行对比分析[4]。最后对大开孔处的结构进行优化，选择补强管进行补强，以降低应力，进一步保证设备的安全性。

1 有限元分析

1.1 几何模型

此反应釜封头的设计参数如下：设计压力为2.2 MPa，设计温度为200 ℃，最大内径为500 mm，壁厚为12 mm，主要受压材料为S31603，材料的弹性模量E为206 GPa，泊松比μ为0.3。多接管封头几何模型如图1所示，N1～N5分别是进料口、进水口、安全阀口、排气抽真空口和氢气出口，表1为各接管尺寸。

表1 各接管尺寸

图1 多接管封头几何模型

1.2 网格划分

首先利用三维建模软件SolidWorks对多接管封头进行几何建模，并对几何模型进行简化处理去掉接管上方法兰。因几何参数和载荷边界条件均对称，故可建立1/2模型进行分析计算，以减小网格数量和计算量。整体网格通过了收敛性验证，网格划分如图2所示。

图2 多接管封头网格划分

1.3 载荷和约束

1.3.1 载荷

反应釜封头内壁和接管内壁施加均匀分布压力p0=2.2 MPa；在接管轴端面施加轴向平衡载荷[5]，轴向平衡载荷的计算公式为：

其中：Do为接管外径；Di为接管内径。经计算，各接管施加的轴向平衡载荷为pN1=-8.28 MPa,pN2=-4.38 MPa,pN3=-2.37 MPa,pN5=-1.76 MPa(N4与N3对称)。

1.3.2 约束

封头与反应釜筒体上法兰焊接相接，所以对封头下端面施加固定约束条件；对封头和接管所在的对称面施加无摩擦约束。施加载荷和边界条件后的模型如图3所示。

图3 多接管封头施加载荷和边界条件 图4 多接管封头应力云图 图5 应力线性化路径

2 有限元计算结果分析

2.1 应力分析结果

设计压力下多接管封头的整体应力云图如图4所示，最大应力位于封头外壁面与接管N1相贯线上，其值为146.93 MPa。此处应力强度较大主要是由于应力集中，而应力集中产生原因分别有：反应釜封头上的开孔处使得整个结构不连续；反应釜封头与接管处是焊接，焊缝有工艺缺陷；焊接时高温会导致局部金属进行一次组织重组[6]。

2.2 应力评定

2.2.1 应力线性化路径

对此多接管封头进行应力线性化处理，对整体结构应力最大处设置两条路径SCL1、SCL2，接管N1应力最大处设置两条路径SCL3、SCL4，应力线性化路径设置如图5所示。

2.2.2 应力分类及评定结果

压力容器在结构不连续区由内压或其他机械载荷引起的薄膜应力和结构不连续效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力，而总体结构不连续处的弯曲应力主要是二次应力，峰值应力仅是导致疲劳破坏和脆性断裂的根源，故在此处不予考虑。

因此本文封头在开孔附近由内压产生的薄膜应力属于一次局部薄膜应力，弯曲应力属于二次应力。

参考文献[2]应力强度判断准则为：

Pl≤1.5KSm=1.5×80=120 MPa；

Pl+Pb≈Pl≤1.5KSm=1.5×80=120 MPa；

Pl+Pb+Q≤3KSm=3×80=240 MPa.

其中：Sm为设计应力强度，Sm=80 MPa；K为载荷组合系数，取K=1；Pl为一次薄膜应力；Pb为一次弯曲应力；Q为二次应力。

各路径应力线性化分布曲线见图6，各路径具体应力评定结果见表2。

表2 各路径下应力评定结果

图6 应力线性化曲线

综上分析，此多接管封头满足应力强度要求。

3 大开孔结构优化

3.1 内伸、平齐接管强度对比

在其他结构与有限元设置相同的情况下，对内伸式接管计算分析得出其整体应力分布如图7所示，内伸式接管局部结构如图8所示。

由图7可知，内伸式接管结构的整体应力强度最大处仍在封头与接管N1相贯线上，但其最大值达到了170.35 MPa，而平齐式接管结构的最大应力为146.93 MPa，较内伸式接管结构的最大应力低13.7%。因此，此多接管封头采用平齐式接管结构更好。

图7 内伸式接管整体应力云图 图8 内伸式接管局部结构 图9 补强后整体应力云图

3.2 大开孔处结构优化

应力集中现象具有以下特点：被开孔壳体的δ/D越小，应力集中情况越严重(δ为封头厚度，D为孔径)。大开孔处孔径尺寸较大，应力集中情况较严重，对大开孔处进行结构补强则可以极大地改善应力集中现象[7]。开孔处补强结构有三种，分别是补强圈补强结构、补强管补强结构和整体锻件补强结构，本文采用补强管补强结构。其他尺寸、结构不变，采用相同有限元分析方法分析计算，得出采用补强管补强结构后的多接管封头的应力云图如图9所示。

由图9可知，补强后的多接管封头最大应力仍位于封头与接管N1相贯线处，其值为113.81 MPa，相比较于未采用补强结构的最大应力146.93 MPa，最大应力降低了22.5%。因此对于此多接管封头使用补强管补强结构可以大大降低其应力集中问题。

4 结论

(1) 以上有限元分析计算结果显示，此结构的最大应力出现在封头外壁面与接管N1相贯线上。因此此处容易发生损伤破坏，是最危险区域。通过对最危险区域和次危险区域处设定应力线性化路径，并进行应力线性化处理和分析评定，最终确定其应力在允许范围之内，验证了其设计的安全性和合理性。

(2) 通过有限元分析软件对大开孔处接管结构做了对比分析，结果显示采用平齐式接管结构的应力比采用内伸式接管结构的应力低，所以选用平齐式接管结构更加合理。在此基础上，还对大开孔处结构做了优化，采用补强管补强结构大大降低了其大开孔处的应力，使设备安全性进一步得到提升。