基于ANSYS的氨合成塔底部六通元件有限元分析

周旭升，马雯波

（湖南省特种设备检测中心，湖南 长沙 410075）

基于ANSYS的氨合成塔底部六通元件有限元分析

周旭升，马雯波

（湖南省特种设备检测中心，湖南 长沙 410075）

通过有限元分析软件ANSYS对氨合成塔底部六通元件进行强度分析，得到其在高压下的应力分布云图。通过对其危险截面的节点强度进行提取和应力线性化，获得该截面的强度值。结果表明，该型号氨合成塔底部六通元件满足设计载荷下的强度要求。

六通;氨合成塔;ANSYS;有限元分析

氨合成塔是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生催化反应以进行氨合成的设备。氨合成塔底部连通装置是氨合成塔与其它设备连接的必要承压元件，对整套氨合成系统的安全性和经济性有着极其重要的影响。以前对氨合成塔底部连通装置的研究大多以等效板壳理论为基础，即以圆筒侧壁开孔强度校核公式来对底部连通装置进行强度校核[1～2]。但当侧壁开孔个数超过两个且位置在要求联合补强的范围内时，此公式就不能适用[3]，本文所提到的某型号氨合成塔底部六通元件即属此种情况，需要用有限元分析方法对其进行强度评定。

本文应用ANSYS有限元分析软件，对底部六通元件进行有限元分析，结合JB 4732－1995《钢制压力容器——分析设计标准》对所得到的分析结果进行强度评定[4]，判断该结构的氨合成塔底部六通元件是否满足强度要求。

1 有限元模型的建立

1．1 设计参数和强度计算条件

氨合成塔底部六通元件的相关设计参数如表1所示。

氨合成塔底部六通元件为1Cr5MoⅣ锻件，通过查阅GB 150－1998获得底部六通元件材料的力学性能，如表2所示，作为该元件的强度计算条件。

表1 底部六通元件的相关设计参数

表2 六通元件材料在计算温度下（4OO℃）的力学性能

1．2 几何模型的建立

底部六通元件开孔均采用透镜垫密封，方形体上总共有6个开孔:1个Ø360的上端开孔、1个 Ø177的下端开孔、1个 Ø171和 3个 Ø227的侧面开孔，它们均采用透镜垫密封。因底部六通元件结构具有对称性，可沿元件的纵向对称面切开，将其1／2作为应力分析模型。图1为底部六通元件的三维几何模型，其中突起的小圆柱表示螺栓。

图1 底部六通元件的三维几何模型

1．3 有限元模型的建立

网格划分是有限元计算前处理的主要工作，也是整个有限元分析效果的关键。用有限元方法计算弹性力学空间问题时，其过程与计算平面问题时相似。首先把连续的空间弹性体变换成为一个离散的空间结构物，其模型的单元可以用四面体、六面体、棱柱等单元划分[5]。本模型采用8节点四面体单元solid45进行网格划分。底部六通元件的有限元模型如图2所示。

图2 底部六通元件的有限元模型

1．4 载荷和约束

氨合成塔底部六通元件所承受的压力较高，结构重力对其影响相对较小，可忽略重力载荷。氨合成塔在运行时开停车次数较少，故可以忽略疲劳载荷的影响。通过分析得到该元件主要受到以下6个载荷的作用:内压Pc;上螺纹法兰对底部六通元件的拉力P1;底部六通元件下部开孔处透镜垫螺栓拉力P2;方形体上Ø171开孔透镜垫螺栓拉力P3;方形体上Ø227开孔（与Ø171开孔相对）透镜垫螺栓拉力P4;方形体上Ø227开孔（与Ø171开孔相邻）透镜垫螺栓拉力P5。对底部六通元件施加的外载荷见图3。对于内压Pc，本文以设计压力26MPa作为计算值。根据《高压管件紧固件通用设计及有关标准》计算出六通元件所受 的 外 载 荷 P1～P5的 值 分 别 为 162．4N·mm－2、206．5N·mm－2、206．5N·mm－2、208．5N·mm－2和208．5N·mm－2。

考虑到底部六通元件的危险截面在开孔和上螺纹处，而下部侧面处的材料比较充裕，强度可以保证，故约束六通元件下部侧面一点的X向的自由度，以限制模型的刚体位移。对于模型的对称面则施加对称约束。对六通元件下部开孔处的圆线约束Z向的自由度。对底部六通元件施加的约束见图3。

图3 底部六通元件的载荷和约束示意图

2 有限元计算结果分析

底部六通元件的有限元计算结果如图4所示。从图中可以看出在螺栓与底部六通元件连接处应力集中较大，容易出现塑性变形，应特别注意;在侧壁开孔附近的应力集中虽然也比较大，但没有达到屈服值，所以该处是安全的，在保证螺栓与底部六通元件连接处不出现塑性变形的情况下，可以适当减薄方形处的材料用量。

图4 底部六通元件的应力强度分布图

3 应力分类和强度评定

按照JB 4732－1995的要求，将元件各危险截面上各应力分量沿应力强度评定路径进行线性化处理，将其按一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力进行分类，并计算出不同应力类型及其组合的应力强度，要求相应的应力强度不超过各自的许用值。

进行应力强度评定时应在最大应力强度点所处的危险截面进行应力线性化。选择路径的一般原则是选取截面上裂纹扩展路径最短、导致破裂最危险的截面。由于本元件不存在疲劳破坏问题，因此对其峰值应力不进行强度评定。根据结构特点，为了对元件最危险的部位进行评定，选取8条应力评定线，如图5所示。应力评定线1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8 上的薄膜应力均为一次局部薄膜应力，其强度用1．5Sm（Sm表示材料在设计温度下的设计应力强度）限制;应力评定线上的弯曲应力属于一次弯曲应力，它与薄膜应力之和的强度用1．5Sm限制，这两个限制条件要求同时满足[6～7]。

图5 底部六通元件应力评定线的选取

各应力评定线的应力强度评定结果列于表3，Sm＝190MPa（参见表 2）。从表中可以看出各截面均能满足应力强度校核条件。

表3 各危险截面的评定结果

4 结论

经过有限元分析，该型号氨合成塔底部六通元件满足设计载荷下的强度要求。应用有限元方法对氨合成塔底部连通装置进行强度分析可以找到装置的危险部位，为设计和改造提供理论依据。

[1] 张康达，洪起超．压力容器手册[M]．北京:中国劳动社会保障出版社，2000．144-152．

[2] 陈曙光，李丁，刘荟琼，等．氨合成塔底部五通有限元分析[J]．化工设备与管道，2010，47（6）:19-21．

[3] GB 150-1998，钢制压力容器[S]．

[4]JB 4732-1995，钢制压力容器——分析设计标准[S]．

[5] 龚曙光，黄云清．有限元分析与ANSYSAPDL编程及高级应用[M]．北京:机械工业出版社，2009．67-71．

[6] 白海永，傅吉坤，周大坤．氨合成塔外壳双锥环密封结构的分析[J]．压力容器，2008，25（4）:24-27．

[7] 黄金国，李永泰，吴晓红，陈永东，徐亮．合成回路蒸汽发生器的有限元分析[J]．压力容器，2008，25（3）:27-33．

Finite Element Analysis of Six-pass Component at Bottom of Ammonia Converter Based on ANSYS

ZHOUXu-sheng，MA Wen-bo
（Hunan Special Equipment Inspection＆ Testing Center，Changsha 410075，China）

The strength analysis of the six-pass component at the bottom of the ammonia converter was carried out by using the finite element software，ANSYS．The stress distribution diagram was obtained．By picking the strength of the danger sections′nodes and linearizing the stress， the strength of the sections was gained．The result showed that this kind of six-pass component could meet the strength requirement under the design loads．

six-pass component; ammonia converter; ANSYS; finite element analysis

TQ 050．3

A

1671-9905（2011）07-0045-03

周旭升（1977-），男，机械工程专业博士，主要从事特种设备检验与科研工作。工作单位:湖南省特种设备检测中心质量技术部，联系地址及邮编:湖南省长沙市竹塘西路165号410075，电话:13677342306，Email:zxs0015＠163．com

2011-04-25