加氢反应器裙座支撑区应力分析

1 问题描述

某加氢精制反应器，设计压力P=8.83MPa，设计温度T=347℃。材料弹性模型E=2e5MPa，泊松比μ=0.3。

设计温度下材料应力强度：裙座锻造结构为Sm=115.5MPa；筒体及封头主体（板材）Sm1=153.7MPa。设备总重m=270000kg。

h型锻件尺寸为：筒体内半径R1=1406.5mm，壁厚t1=87mm；球形封头内半径R2=1416.5mm，壁厚t2=52mm；裙座壁厚t3=22mm；过渡圆角半径r=20mm；锻造高度H=568mm。

由于加氢反应器在高温下工作，设备外部需要设置保温层。为此分析区域将涉及到如下传热问题：内部介质与器壁之间的对流传热、保温层与外部空气的对流传热、器壁金属及保温层的热传导。材料热特性参数如表1所示，其中空气环境温度为20℃、内部物流环境温度为347℃，保温层厚度为180mm。

2 机械应力分析

采用2D轴对称模型，其中与h型锻件连接的筒体及裙座的长度足够长，远大于2.5倍的边缘应力衰减长度。由于主要讨论h型锻件连接区的应力分布规律，忽略了下封头的开孔接管。筒体端部受到内压引起的轴向平衡面力（-69.23MPa）以及设备自重产生的应力（3.334MPa）两者的叠加，大小为P=-65.896MPa。

应力评定结果如下：

3 热应力分析

同样采用2D轴对称模型，共有三种传热边界：边界1为保温层与空气、以及裙座与空气的对流边界；边界2为加氢反应器内部介质与容器器壁的对流边界；边界3为绝热边界。

将热分析结果导入静力学分析模块进行热应力计算，结果如下。可见最大热应力发生在温度梯度较大的h型锻件裙座连接侧过渡圆弧处。

4 综合应力分析

同时包含机械载荷与热载荷的计算结果如下。最大应力发生在h型锻件裙座连接侧过渡圆弧处。

按照机械应力分析的评定路径再作应力线性化处理，结果如下：

根据JB4732对结构进行应力评定，满足强度要求。