Анализ напряжений укрепления врезки штуцера реактора гидрирования Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

УДК 620.178

Лю Чжан-Хай, Сун Яньмин

ЛЮ ЧЖАН-ХАЙ - профессор (Северо-Восточной газонефтяной университет, г. Дацин, провинция Хэйлунцзян, КНР). E-mail: 269973996@qq.com

СУН ЯНЬМИН - аспирантка (Северо-Восточной газонефтяной университет, г. Дацин, провинция Хэйлунцзян, КНР). E-mail: cawa7799@sina.com

Анализ напряжений укрепления врезки штуцера реактора гидрирования

Для расчета напряжений укрепления врезки штуцера реактора гидрирования используется анализ напряжений методом конечных элементов в пакете ANSYS. Установлено, что максимальные напряжения находятся на переходе сферического днища реактора к внутренней стенке штуцера. Сравнительный анализ методов расчета напряженного состояния узла врезки штуцера реактора показал, что применение пакета ANSYS предоставляет большие возможности по сравнению с традиционными расчетными способами.

Ключевые слова: реактор гидрирования, укрепление врезки штуцера, анализ напряжений, ANSYS.

Применение в промышленности КНР реакторов каталитического крекинга выявило ряд проблем надежности конструкции. Водородсодержащая среда, высокотемпературные нагрузки, переменные параметры окружающей среды, динамика «пуск-остановка» приводят к циклическому нагружению, как следствие - к усталости материала. Отсюда возникает задача обеспечения долговечности эксплуатации реактора гидрирования на основе расчета напряженно-деформированного состояния конструкции [1-3], которую мы и попытаемся решить в данной работе.

Функционирование реактора гидрирования обеспечивается комплексом оборудования управления и контроля процесса. Это оборудование подсоединяется к реактору через штуцеры. Врезка штуцеров сопровождается выполнением отверстий в несущей конструкции, что приводит к перераспределению напряжений, рассчитанных для исходной геометрии, и вызывает уменьшение продолжительности эксплуатации вследствие концентрации напряжений и значительных пластических деформаций.

Укрепление врезки штуцера

Выполнение отверстий в корпусе реактора, вызывающее ослабление прочности и концентрацию напряжений, означает необходимость принять соответствующие укрепляющие узел соединения меры. Их цель - создать в зоне края отверстия снижение концентрации напряжений до допустимого диапазона. Как правило, в инженерной практике КНР применяются три вида укрепляющих мер.

© Лю Чжан-Хай, Сун Яньмин, 2014

Статья подготовлена при поддержке Китайского национального фонда естественных наук, проект № 11272084.

Укрепление с помощью накладного кольца. Накладное кольцо наиболее широко используется в конструкциях с низким и средним рабочим давлением. Укрепляющие накладные кольца привариваются к корпусу на переходе корпуса к штуцеру. В инженерной практике существуют надежные, проверенные опытом технологии выполнения данных соединений. Недостатком метода при нагреве сосуда давления является термическое сопротивление нахлесточного контакта накладки и корпуса реактора, приводящее к значительным термическим напряжениям.

Укрепление кольцевой вставкой. Кольцевая вставка из стали большей толщины уменьшает величину напряжений в зоне их концентрации. Кроме того, появляется возможность корректного контроля качества сварного соединения, что существенно при использовании низколегированных сталей повышенной прочности при изготовлении сосудов давления и более эффективно по сравнению с методом накладки.

Применение кованого штуцера. Кованый узел штуцера включает как сам штуцер, так и часть корпуса, которая приваривается к реактору в месте врезки. Достоинство схемы как средства борьбы с усталостью материала: она позволяет более эффективно уменьшить концентрацию напряжений; недостаток: кованый штуцер технологически более сложен и требует значительных производственных затрат.

Анализ напряжений частей штуцера

Механические испытания показали, что даже при нормальном расчетном давлении пиковое напряжение в зоне частей штуцера значительно превышает предел текучести материала. При наличии трещин и других дефектов появляется вероятность возникновения аварий и разрушения реактора. Испытания на усталость показывают, что при циклических нагрузках емкости легко повреждаются. Таким образом, с точки зрения напряжений и деформаций, зона штуцера - самое слабое звено емкости под давлением, что является ключевым компонентом оценки безопасности [1, 2, 4].

Анализ напряжений без укрепления зоны врезки. Расчет толщины стенки оболочки реактора гидрирования и минимальной толщины стенки штуцера, когда в зоне отверстия реактора гидрирования отсутствуют меры укрепления, осуществляется следующим образом.

Толщина £ оболочки реактора в зависимости от конструктивных требований округлена до номинальной толщины 5п:

5 = & (1)

где р - расчетное давление, МПа; ^ - внутренний радиус корпуса реактора, мм; -конструктивная прочность, Мпа.

Толщина стенки штуцера 5( определена в зависимости от конструктивных требований

и округлена до номинальной толщины 5Ш:

5, = (2)

т

где di - внутренний диаметр штуцера, мм; - конструктивная прочность напряжения штуцера, МПа.

Средний радиус Я сферического днища реактора:

Я = 5 + К, (3)

Средний радиус г штуцера:

г = + бщ (4)

2

Анализ напряжений после укрепления. При наличии укрепления зоны врезки штуцера расчет толщин обечайки реактора и штуцера следующий. После укрепления толщина стенки штуцера:

Л '—Л

б' = (5)

где ¿о - диаметр штуцера после укрепления.

Средний радиус г' штуцера после укрепления:

г' = +б' (6)

2 4 7

Концентрация напряжений в зоне штуцера

Существующая концентрация напряжений в сосуде обычно выражается коэффициентом 3, который является отношением фактического максимального напряжения сосуда к кольцевому напряжению (без отверстия сосуда).

3 = — (7)

ив

где и тах - максимальное напряжение края отверстия, МПа; ив - кольцевое напряжение без отверстия, которые определяются по формуле рЯ

и = ■ в 2бп

(8)

При анализе напряжений части днища реактора гидрирования и штуцера коэффициент концентрации напряжений отверстия рассчитывается по формуле

3 = 31 + 3 2 (9)

где

?

31 = ■

1 +1.3/ .

?

пг ,2 + д

3 2 = -- (-)

4Ябп 1 + д

У = бп*(1 + д Ч | бпт У пбп\ г 1 + 2д 2г

д =

Яб5п1

гб.

п = [3(1 — ¡л2 )]/4, ¡- коэффициент Пуассона. [38] vestnikis.dvfu.ru

Инженерный пример

В качестве примера мы приведем наш расчет напряженного состояния реактора гидрирования при следующих исходных параметрах: расчетное давление - 17,3 MПa, расчетная температура - 450 °С, рабочая температура - 430 °С, материал - 3 Cr1Mo1/4V, конструктивное давление корпуса реактора и штуцера - 164,1 MПa, внутренний диаметр штуцера - 777 мм, внутренний радиус оболочки реактора - 1746 мм, внешний диаметр без укрепления - 1076 мм, после укрепления - 1266 мм, номинальная толщина стенки оболочки реактора - 120 мм, коэффициент Пуассона - 0,27. Укрепление штуцера выполнено с закруглением, рабочая среда - нефть, газ, водород и сероводород, расчетный срок службы 20 лет, конструкция патрубка приведена на рис. 1.

Рис. 1. Эскиз кованого штуцера реактора гидрирования

Расчет напряжений без укрепления

По формулам (1), (4) и (9) рассчитаны параметры без укрепления оболочки реактора и штуцера, как показано в табл. 1.

Таблица 1

Параметры конструкции без укрепления

5 /мм 5п /мм 5^ /мм 5ш /мм Я/мм г/мм п Ч У Л

92,0 120 20,4 50 1806 413,5 1,29 0,23 0,16 1,66 0,24

Отношение толщины к радиусу оболочки реактора показывает, что емкость является тонкостенной, и кольцевые напряжения определяются по формуле (8):

рЯ 17,3x1806

ав = ^-= 130,2 МПа.

9 25п 2 х120

Из табл. 1 и формулы (9) можно получить

Л = Л1 + Л 2 = 1,9.

По формуле (7):

^ = Л&е = 1,9 х 130,2 = 247,4 МПа. Расчет после укрепления [39] vestnikis.dvfu.ru

Из табл. 2 и формулы (9) можно получить: J = J1 + J 2 = 1,34.

По формуле (5), (6) и (9) получены параметры после укрепления оболочки реактора и трубы (см. табл. 2).

Таблица 2

Расчетные параметры соединении после укрепления

8п /мм 8М'/мм Я/мм Г /мм п Ч У •Л •Л

120 244,5 1806 510,7 1,29 11,1 0,81 1,07 0,27

Итак, по формуле (7) получено

= Jae = 1,34 X 130,2 = 174,5 МПа.

Таким образом, после укрепления значения напряжений существенно уменьшились. Максимальное напряжение без укрепления - 247,4 МПа, после укрепления - 174,5 МПа, снижение составило 72,9 МПа.

Метод конечных элементов

Метод конечных элементов (ANSYS) в связи с быстрым развитием компьютерных технологий в области вычислительной математики и вычислительной механики является наиболее эффективным средством современных методов расчета напряженно-деформированного состояния сварных конструкций. Приведенный выше анализ напряжений штуцера и реактора показал, что концентрация напряжения находится на переходе сферического днища в реакторе с внутренней стенкой штуцера, причем максимальное значение напряжения равно 174,5 МПа. Результаты инженерных методов расчета, а именно локализация максимальных напряжений, их значение и концентрация, существенно зависят от схематизации задачи и квалификации расчетчика (человеческий фактор). В данной работе с целью сравнения результатов дополнительно выполнен расчет приведенного выше примера методом конечных элементов в пакете ANSYS.

Геометрическая модель. Поскольку днище реактора и штуцера симметрично корпусу относительно продольной оси, в системе ANSYS использована автоматическая процедура разбиения геометрии задачи на конечные элементы (рис. 2, а).

Приложение нагрузки и решение задачи. Поскольку в задаче рассматривается верхнее днище реактора, в нижней части модели в качестве внешней связи применены сосредоточенные силы, эквивалентные реакции в болтовом соединении. Нагрузки (давление 17,3 МПа при температуре 450 °С) действуют на внутренние стенки реактора. Ввод необходимой информации в соответствии с процедурой ANSYS и последующее решение задачи дало следующие результаты. При действии нагрузок деформация корпуса в сравнении с исходной геометрией реактора приведена на рис. 2, Ь. Эквивалентные напряжения корпуса реактора представлены на рис. 2, с. Рисунок демонстрирует, что действующее максимальное напряжение находится на переходе сферического днища в реакторе с внутренней стенкой штуцера, значение напряжения - 177,5 МПа. Это значение близко к полученной инженерными методами величине 174. Разница значений результатов для инженерной практики несущественна.

а Ь с

Рис. 2. Результаты анализа реактора в ANSYS

Итак, использование теории прочности тонкостенной емкости для определения размеров и значения напряжений при врезке штуцера реактора гидрирования является точным и надежным.

Проведенный с помощью метода конечных элементов (ANSYS) анализ напряженно-деформированного состояния реактора гидрирования подтвердил, что концентрация напряжений находится на переходе сферического днища реактора с внутренней стенкой штуцера. При этом доказано практическое совпадение результатов определения максимальных напряжений различными методами расчета.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грюхагов О.Н., Плужников А.И. Основы эксплуатации оборудования и систем газоснабжения. М.: ИНФРА-М, 2012. 163 с.

2. Кязимов К.Г., Гусев В.Е. Устройство и эксплуатация газового хозяйства. М.: Академия, 2013. 90 с.

3. Лю Чжанхай и др. Надежный анализ корпуса насоса для нагнетания воды при наличии трещин // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 1998. Ноябрь-декабрь. С.32-36.

4. Сугак А.В., Леонтьев В.К., Веткин Ю.А. Оборудование нефтеперерабатывающего производства. М.: Академия, 2013. 32 с.

5. 2001; 99-100.

6. 2004;26(7): 375-378.

MATERIALS SCIENCE AND MATERIALS TECHNOLOGY

Liu Chang-hai, Sun Yanming

LIU CHANG-HAI, Professor, e-mail: 269973996@qq.com; SUN YANMING, Ph.D NorthEast Gas and Oil University, Daqing, Heilongjiang Province, China, e-mail: cawa7799@sina.com

The analysis of stresses of strengthening the tie-fitting in hydrogenation reactor

The analysis stresses using finite elements in the ANSYS package was carried out to calculate the stresses strengthening tie-fitting of a hydrogenation reactor. It has been determined that the maximum stresses are in the transition area from the spherical bottom of the reactor to the internal wall socket. The comparative analysis of calculation methods for the stress state of the node of the tie-fitting reactor has demonstrated that the application of the ANSYS package provides greater opportunities than the traditional calculation methods do.

Key words: hydrogenation reactor, strengthening of (tie) nipples, software, ANSYS.

REFERENCES

1. Gryuhagov O.N., Pluzhnikov A.I., The basics of the equipment and supply systems. M., INFRA-

M, 2012, 163 p. (in Russ). [Grjuhagov O.N., Pluzhnikov A.I. Osnovy jekspluatacii oborudovanija i sistem gazosnabzhenija. M.: INFRA-M, 2012. 163 s.].

2. Kyazimov K.G., Gusev V.E., Arrangement and operation of gas facilities. M., Academy, 2013,

90 p. (in Russ). [Kjazimov K.G., Gusev V.E. Ustrojstvo i jekspluatacija gazovogo hozjajstva. M.: Akademija, 2013. 90 s.].

3. Liu Chjanhai, et al., Reliable analysis of the pump housing for pumping water in cracks,

Automation, telemechanization and communication with the remote control of the oil industry. 1998, Nov.-Dec., p. 32-36. (in Russ). [Lju Chzhanhaj i dr. Nadezhnyj analiz korpusa nasosa dlja nagnetanija vody pri nalichii treshhin // Avtomatizacija, telemehanizacija i svjaz' v neftjanoj promyshlennosti. 1998, nojabr'-dekabr'. S. 32-36].

4. Sugak A.V., Leont'ev V.K., Vetkin Y.A., Refinery equipment. M., Academy, 2013. 32 p. (in

Russ). [Sugak A.V., Leont'ev V.K., Vetkin Ju.A. Oborudovanie neftepererabatyvajushhego proizvodstva. M.: Akademija, 2013. 32 s.].

5. »/¥' «ffi . 2001; 99-100.

6. 2004;26(7): 375-378.