吕明，李成龙，朱鑫

（中国石油抚顺石化分公司 烯烃厂， 辽宁 抚顺 113001）

 

摘      要：运用ANSYS有限单元法软件对柴油加氢改质反应器的主要部件油气入口弯管结构进行模型建立及网格划分，并且对应力强度最大区域即危险截面截取路径进行应力强度分析。依据JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》得到分析结果，结果表明应力强度满足设计要求。 

关  键  词：柴油加氢；油气入口弯管；分析设计；强度校核

中图分类号：TQ 000     文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2014）00-0000-00

当前世界上优质原油的储量日渐枯竭，各个国家的油厂都在面临着加工含有高氮、高硫、高芳烃含量的原油；于此同时各油厂对过程中的馏分油（包括柴油、汽油、煤油等）的需求量日益见涨，我国的原油相比较重，二次加工柴油量较大，随着掺渣量的增加，柴油质量也变差，而我国石油人均占有量相对较少，原油的进口量随之增加，因此对柴油加氢改质反应器的要求随之提高[6]；对于反应器的寿命失效风险评估是提高使用年限的基础，因此对反应器重要部位进行强度校核，本文选取其中之一的重要部件油气入口弯管进行强度校核。

1 油气入口弯管结构尺寸

    某加氢改质反应器的油气入口弯管由弯管和法兰等主要部分构成，其结构尺寸如图1所示[1]。

 

图1  油气入口弯管结构尺寸图

Fig.1 Dimensions of the oil and gas inlet elbow 

2 研究结构应力分析

2.1模型结构

某加氢改质反应器的油气入口弯管材料选用12Cr2Mo1锻件，在材料的设计温度（425℃）下的弹性模量E=177E3MPa，钢材的平均线膨胀系数α=13.755E-6mm/mm•℃，导热系数k=35W/m•℃，材料的泊松比μ=0.3，材料设计温度下的设计应力强度值为157MPa。模型结构采用360°三维实体模型，利用ANSYS有限元分析软件的三维六面体20节点等参元单元Solid186进行网格划分[2]，分析模型及网格划分如图2所示：

 

图2  分析模型及网格划分

Fig.2 Analysis model and mesh

2.2边界条件

2.2.1位移边界条件

    约束反应器人孔法兰盖螺栓圆处的位移。

2.2.2载荷边界条件

    载荷边界条件为壳体内压、管口外载荷及法兰端面等效载荷，见表1和表2所示[3]：

表1 油气入口弯管结构载荷表

Table 1 Oil and gas inlet elbow structural load table 

序号 载荷名称 设计载荷工况 试验载荷工况 备注

1 壳体内压 11.66MPa 18.56 MPa

2 管口外载荷 见表2.1-2 无

3 法兰面所受等效压力1 9.499MPa 15.12MPa 由W等效

4 法兰面所受等效压力2 22.28MPa 35.46MPa 由FP、FT等效

注：1. FP为操作状态下垫片载荷。

2. FT在垫片载荷作用线内的压力载荷。

3. W为螺栓载荷。

4. 等效压力载荷由PCDi2/(DO2- Di2)计算，以下相同。

 

表2管口外载荷表

Table 2 Tube estuary load table

公称直径

（mm） FX

（kN） FY

（kN） FZ

（kN） MX

（kN•mm） MY

（kN•mm） MZ

（kN•mm）

DN400 30 30 30 40000 40000 40000

DN200 20 20 20 40000 40000 40000

 

3应力分析结果与评定

分析结果与评定路径由图3可知，油气入口弯管模型最大应力值在弯管内部，其应力最大值为P=141.459MPa。模型应力分布图如下图所示：

 

图3  分析结果与评定路径

Fig.3 Analysis and evaluation of path

路径A-1（设计载荷工况k=1.0）：

一次总体薄膜应力强度：SⅠ=85.86MPa，

设计应力强度：KSm=157MPa；

一次总体薄膜应力强度+一次弯曲应力强度：SⅢ=139.1MPa，

                         设计应力强度：1.5KSm=235.5MPa。

评定结果均通过，得知油气入口弯管强度校核满足要求[5]。

4总结

（1）加氢改质反应器的油气入口弯管在进行应力分析时需要考虑三种载荷工况：设计载荷工况、工作载荷工况和试验载荷工况。按JB4732标准的规定，在计算包括二次应力强度的组合应力强度时，应选用工作载荷进行计算，本论文中选用设计载荷进行计算，这对于分析结果是偏于安全的。

（2）本文通过对油气入口弯管常规设计，得到了结构模型的尺寸，为之后利用ANSYS有限单元法软件进行分析设计以及对模型结构的尺寸加以修正提供了理论基础数据[4]。

参考文献：

［1］ 丁伯民.钢制压力容器[M].上海：华东化工学院出版社，1992． 

［2］ 余伟炜，高炳军，等．ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007．

［3］ GB 150—2011 钢制压力容器[S].

［4］ 吕明，张佰运，王勇. 烧结炉卡箍快开结构强度分析[J].沈阳：当代化工出版社，2014.

［5］ JB 4732—1995 钢制压力容器—分析设计标准[S]．

［6］ 崔科增.劣质柴油加氢改质催化剂的开发及工业应用[J].浙江大学出版社，2005.