转化炉下部锥体接管及斜接管的应力分析

陈晓玲

（山西省化工设计院)

转化炉下部锥体接管及斜接管的应力分析

陈晓玲*

（山西省化工设计院)

转化炉是合成氨转化工段的核心设备，其设计条件复杂。转化炉下部锥体接管和斜接管不能采用常规设计方法进行设计，需要按照分析设计的方法设计。对转化炉下部锥体接管和斜接管基本条件进行了详细的说明，并明确提出了其设计状态下的参数。使用ANSYS有限元软件建立模型， 按照JB 4732—1995标准要求进行应力评定。通过详细分析，证明了该结构设计合理。最后，提出了无损检测的要求。

转化炉 有限元 分析设计 强度计算 锥体 接管 应力

0 前言

转化炉是合成氨转化工段的核心设备。在焦炉气中甲烷、烃类含量较高，但甲烷是氨合成气中的“惰性气体”，不能直接合成氨，必须通过转化反应将甲烷转化成CO、CO2和H2。干法脱硫工段的焦炉气混入蒸汽，经加热炉预热后，从炉顶进入转化炉；经空分后的氧气混入压缩空气，配制成富氧气，经富氧加热炉加热，从转化炉喷嘴进入炉内。焦炉气所含氢气等在炉内与氧气燃烧，提供转化反应所需的热量，甲烷在催化剂和高温作用下转化为CO、CO2、H2。从转化炉出来的高温转化气首先进入废热锅炉换热，产生中压蒸汽；换热后的转化气进入预热炉与蒸-焦混合气换热，转化气温度再次降低；从预热炉出来的转化气进入干法脱硫系统与焦炉气换热，温度最终降至320℃左右。经过一系列换热后的变换气进入变换工序的中变炉，进行变换反应。

1 基本条件

转化炉结构复杂，由炉体、水夹套、夹套裙座等几部分组成。转化炉中物料属于易燃易爆介质，其燃烧反应温度最高时达到1600℃，因此炉体结构也比较复杂。炉体主要由球形上封头、一段筒体、变径段、二段筒体、锥形下封头以及烧嘴、接管、人孔等各种构件组成。因其介质温度高，炉体钢筒体内部要浇筑比较厚的耐火浇注料来隔热，以此降低筒体的金属壁温。本次设计的转化炉整体按照常规设计标准GB 150—2011《压力容器》进行设计，下部锥体段由于斜接管和大开孔接管超出了常规设计标准规定的范围，因此采用分析设计标准JB 4732—1995（2005年确认） 《钢制压力容器——分析设计标准》进行设计。本文主要是对下部锥体斜接管的受力进行讨论。转化炉下部锥体斜接管的结构、尺寸详见图1。

下部锥体材料具体的数据见表1，强度计算主要数据见表2。

图1 转化炉下部锥体斜接管结构

2 有限元建模

先建立有限元模型，这是ANSYS分析中的前处理部分[5]，也是ANSYS有限元分析中很重要的一个部分，是ANSYS有限元分析的基础。该模块用于定义求解所需的数据，用户可选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性，然后建立实体模型并对其进行网格划分，确定控制节点和单元，以及定义耦合和约束方程等[6-7]。

表1 材料特性表[1-2]

表2 强度计算数据表[3-4]

本次分析采用ANSYS 13.0软件进行建模，对锥体和接管结构建立四分之一的对称模型（见图2）。选用20节点的SOLID186单元进行网格划分 （见图3），限制锥体上端面Y方向自由度；在设备对称面上施加对称约束；在结构内表面施加内压2.4 MPa；在DN800接管端面施加拉应力17.3 MPa，在DN900接管端面施加拉应力25.3 MPa。

在没有外载荷作用时，设计工况和操作工况的应力比值取决于设计压力和操作压力之比，因此在本次计算中只考虑设计工况[5-6]。上、下封头壁厚尺寸如表3所示。接管建模时，壁厚应考虑腐蚀裕量，DN900锻件与锥体的焊接接头内角磨圆为R20，外角圆滑过渡为R40。此外，还应考虑其它接管的内倒角和外倒角，并保证其都平滑过渡。

图2 结构模型

图3 网格划分

表3 结构壁厚建模尺寸

3 强度分析

经过计算，锥体接管结构的应力分布如图4所示。在危险节点定义路径，进行强度校核。具体路径位置如图5所示。

图4 计算结果

图5 定义路径

（1）路径1－1

局部薄膜应力强度SⅡ：

一次加二次应力强度SⅣ：

路径1－1计算结果：合格。

（2）路径2-2

局部薄膜应力强度SⅡ：

一次加二次应力强度SⅣ：

路径2-2计算结果：合格。

（3）路径3-3

局部薄膜应力强度SⅡ：

一次加二次应力强度SⅣ：

路径3-3计算结果：合格。

（4）路径4-4

局部薄膜应力强度SⅡ：

一次加二次应力强度SⅣ：

路径4-4计算结果：合格。

（5）路径5-5

局部薄膜应力强度SⅡ：

一次加二次应力强度SⅣ：

路径5-5计算结果：合格。

（6）路径6-6

局部薄膜应力强度SⅡ：

一次加二次应力强度SⅣ：

路径6-6计算结果：合格。

（7）路径7-7

局部薄膜应力强度SⅡ：

一次加二次应力强度SⅣ：

路径7-7计算结果：合格。

4 结论与建议

转化炉下部锥体接管和斜接管不能采用常规设计方法进行设计，需要按照分析设计方法设计。本文使用 ANSYS有限元软件建立模型，按照 JB 4732—1995标准要求进行应力评定，共评定了7个路径的应力。通过详细分析，证明了该结构设计合理。因此，本文有如下结论和建议。

（1）在建模及强度计算时，比较充分地考虑了模型的细节和各种影响因素，因此分析结果可靠。

（2）所有A、B类焊接接头应内外磨平，接管与筒体、接管与封头的焊接接头焊后应按标准的要求磨圆平滑过渡。

（3）设备无损检测的要求如下所述：

壳体用的Q345R钢板应逐张进行超声波检测，按NB/T 47013.2—2015标准中Ⅱ级为合格；

A、B类焊接接头射线检测比例为100%，按NB/T 47013.2—2015中Ⅱ级为合格，其射线检测技术等级为B级 (附加超声检测其检测比例为100%，超声检测按NB/T 47013.3—2015进行，Ⅰ级为合格，超声检测技术等级不低于B级)；

与筒体、封头相连接的公称直径大于200 mm的接管应进行超声检测，按NB/T 47013.3—2015中Ⅰ级为合格，超声检测技术等级为C级；

热处理及液压试验后，设备所有对接接头和角接接头表面应进行100%磁粉无损检测，其结果符合NB/T 47013.4—2015中的Ⅰ级为合格。

（4）设备组焊后，进行炉内整体消除应力热处理，所制备的焊接试板应与容器一起进行热处理。容器壳体上的连接件 (包括铆固钉、吊耳和垫板)在热处理前都应与壳体焊好，热处理后不允许再在壳体上施焊，不得采用硬印作为材料和焊工标记。

[1]潘家祯．压力容器材料实用手册——碳钢及合金钢[M]．北京：化学工业出版社，2000：834-836．

[2]中国石油和化学工业联合会.钢制化工容器材料选用规定：HG/T 20581—2011[S].北京：中国计划出版社，2011：53-60.

[3]中国石油和化学工业联合会.钢制化工容器设计基础规定：HG/T 20580—2011 [M].北京：中国计划出版社，2011：14-21.

[4]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.钢制压力容器——分析设计标准： JB 4732—1995（2005年确认）[S].北京：新华出版社，2007.

[5]龚曙光．ANSYS在应力分析设计中的应用 [J]．化工装备技术，2002，23(1)：29－33．

[6]倪栋，段进，徐文成，等．通用有限元分析ANSYS 7.0实例精解 [M]．北京：电子工业出版社，2003．

[7]刘涛，杨凤鹏．精通ANSYS[M]．北京：清华大学出版社，2001．

Stress Analysis of the Nozzle and Oblique Nozzle in the Lower Cone of Conversion Furnace

Chen Xiaoling

The conversion furnace is the core equipment of the synthesis ammonia conversion section,and its design condition is complex.The nozzle and oblique nozzle in the lower cone of converter can′t be designed by conventional design method,and they need to be designed in accordance with the method of analysis and design. The basic conditions of the nozzle and oblique nozzle were described in detail,and the design parameters were put forward.The finite element software ANSYS was used to establish the model,and the stresses were evaluated according to JB 4732-1995.Through detailed analysis,it was proved that the structure was reasonable in design. Finally,the requirements of nondestructive testing were proposed.

Conversion furnace；Finite element；Design by analysis；Strength calculation；Cone；Nozzle；Stress

TQ 052.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.002

2016-04-05）

*陈晓玲，女，1984年生，硕士，工程师。太原市，030024。