高压氨分离器球形封头组件的应力分析

李召生，李玉伟，曹丽琴

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046；2.燕山大学，河北 秦皇岛 066004)

高压氨分离器球形封头组件的应力分析

李召生1，李玉伟1，曹丽琴2

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046；2.燕山大学，河北 秦皇岛 066004)

文中采用有限元分析的方法对高压氨分离器球形封头组件进行了应力分析，详细介绍了结构所承受的载荷及所施加的边界条件，并对计算结果进行了评定和总结分析。

氨分离器；有限元；应力分析；应力评定

0 引 言

高压氨分离器球形封头上焊有两个距离较近的接管，管端作用有管道载荷，接管与筒体连接位置的局部应力计算因不满足通常使用的WRC297要求而无法计算，为精确计算该组件的应力，确定合理的结构尺寸，需采用有限元分析的方法对该结构进行计算。

1 结构及载荷说明

文中所要分析的结构简图如图1所示，所用材料及许用应力见表1，图1中的坐标系Z轴垂直纸面向外，有限元模型总体坐标系与本图一致。图中筒体和封头内表面尺寸已减掉3 mm腐蚀裕量和0.3 mm钢板负偏差，接管内表面已减掉3 mm 腐蚀裕量。工作压力14.553 MPa，工作温度-4 ℃，设计压力17.0 MPa，设计温度70 ℃。接管端部设计载荷P=351 200 N,TL=162 460 N,TC=162 460 N,ML=165 000 N·m，MC=165 000 N·m，MT=165 000 N·m，载荷方向如图2所示。

图1 结构简图

表1 材料及许用应力

图2 管道载荷坐标系方向

2 模型及边界条件

有限元模型如图3所示，单元类型采用 ANSYS10.0软件提供的4节点Solid45实体单元，总计划分367 76个单元，468 54个节点。载荷及边界条件施加示意图如图4-5所示,详细施加情况见表2。管道载荷采用MPC绑定的方式施加。

图3 有限元模型

图4 管道载荷施加示意图

图5 内压及管端等效力示意图

表2 边界条件

续表2

载荷条件绕Y轴接管扭矩N2接管端面面力1．65e8N·mmZ方向接管推力N2接管端面面力-162460N绕Z轴接管扭矩N2接管端面面力-247204760N·mm约束条件约束类型约束部位X向位移筒体端面Y向位移筒体端面与XZ平面相交的两条直线Z向位移筒体端面与XY平面相交的两条直线

表2中等效力及施加的弯矩计算过程如下：

(1)N1，N2接管端面等效力计算如下：

式中：Peqv为等效力，MPa；P为设计压力，17MPa；Do为接管端部外直径，508mm；Di为接管内直径，437.8mm。

(2)管端弯矩计算：

①N1接管端面的弯矩:

绕X轴:MX=ML+TL*LN1=165 000 000+162 460*364.5=224 216 670N·mm

绕Y轴:MY=MC-TC*LN1=165 000 000-162 460*364.5=105 783 330N·mm

②N2接管端面的弯矩:

绕X轴:MX=MC-TC*LN2=165 000 000-162 460*506=827 952 40N·mm

绕Z轴:MZ=ML+TL*LN2=165 000 000+162 460*506=247 204 760N·mm

式中：MX,MY,MZ为计算时施加在接管端面的弯矩N·mm；MC,ML为接管弯矩载荷165 000 000N·mm；TC,TL为接管推力载荷162 460N；LN1为N1接管端面沿接管轴线到封头内表面的长度 364.5 mm；LN2为N2接管端面沿接管轴线到封头内表面的长度 506 mm。

3 计算结果及评定

图6-7给出了左封头组件在内压和管道载荷作用下的应力分布及变形情况，从应力分布情况可以看出接管根部由于管道载荷的影响，应力分布变得不再均匀，但影响范围并不大，两开孔区域的应力并未叠加，都限制在接管根部的局部区域内。

图6 应力分布云图

图7 应力分布云图

选取六条危险路径对应力进行线性化处理，对每条路径上的总应力进行分类评定，路径位置如图8-10所示，评定情况见表3。

图8 N1接管应力评定路径

图9 N2接管应力评定路径

图10 封头应力评定路径

表3 各路径的应力评定

4 结束语

(1)在内压和管道载荷作用下该结构强度是合格的。

(2)管道载荷对接管根部局部应力分布影响有限，范围较小。

(3)计算时应注意管道载荷作用点与软件施加载荷所需的作用点是否相同，若不同应考虑力平移后附加力矩的影响。

[1] 李建国.压力容器分析设计的力学基础及其标准应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] JB4732-95，钢制压力容器—分析设计标准[S].

Stress Analysis for High Pressure Ammonia Separator Hemispherical head Assembly

LI Zhao-sheng1,LI Yu-wei,CAO Li-qin2

1.Harbin Boiler Company Ltd.，Harbin,150046；2.Yanshan University,066044)

The stress analysis for High Pressure Ammonia Separator Hemispherical head Assembly has been done by FEA. Detail boundary conditions and loads of the structure were introduced. The evaluation and analysis was done for calculation result.

ammonia separator; FEA; stress analysis; stress evaluation

2015-03-21

2015-04-08

李召生(1982 -)，男，工程师，主要从事压力容器的常规和分析设计工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.003

TH49

B

1009-3230(2015)05-0007-04