二次温差应力的危害不容小觑-高温反应器裙座与下封头连接结构热应力分析

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高温设备在石化行业中应用越来越多，在标准中我们也经常看到对于低温或高温设备往往在结构设计、制造及检验部分相较于一般设备多了很多特殊的技术要求。对于高温反应器或塔器等，一般在高温、高压、临氢条件下工作，其下封头与裙座连接处是典型的高应力区：一是由于总体结构不连续产生的二次应力，二是局部结构不连续处会产生应力集中，三是由于温度梯度的存在导致产生较大的二次温差应力，故其结构设计、制造与检验必然会有更高的要求。而常规设计普遍采用基于最大主应力的第一强度理论，采用旋转无力矩理论只考虑一次加载情况下的薄膜应力，而无法去考虑并计算二次应力，虽然二次应力具有自限性且其危害性并没有一次应力的大，但二次应力在结构安定性方面起着决定性作用，而此时常规计算已经无法保证结构的安全了，而有限元法在此方面的优越性则显而易见。

本文以一高温反应器为例（此前公众号发布的文章是用经典界面做的，本次介绍其在WB中的建模和求解过程）。该设备为锥形裙座，裙座与h形锻件相连接，设计压力为18MPa，设计温度为480℃（根据塔器标准要求：当下封头设计温度大于等于400℃时，在裙座上部靠近封头处应设置隔气圈），该设备亦在裙座与下封头连接处设置隔气圈并通过隔气圈形成一个热箱来改善下裙座与下封头连接处的温度梯度变化，以达到减小二次温差应力的目的。裙座与下封头连接结构示意图及材料性能参数如下：

【1】有限元建模

本文中采用WB三维全模型建模（如果结构形状、材料、载荷等均具有对称性，则可采用简化的二维平面模型或三维轴对称模型，但实际上对于采用裙座的高耸设备，往往需要考虑地震载荷、风载荷、偏心弯矩的影响，此时必须建立三维模型），为精确模拟分别建出设备主体部分和保温层模型，并分别设置上述不同的材料属性，温度场分析时采用Solid90单元，结构静力分析时则转换为Solid186单元分别进行求解，采用全六面体网格，单元数量约为330000，网格节点数量约为1470000，单元平均质量为0.76，在一台安装内存为32G的电脑上，采用2核并行运算，计算时间约为1小时。模型和网格示意图如下：

‍【2】温度场求解边界条件的设置

热量传递的三种方式有：热传导、热对流、热辐射。

热传导：热传导是介质内无宏观运动时的传热想想，其在固体、液体和气体中均可发生，但严格而言，只有在固体中才是纯粹的热传导，热量从温度较高的部分沿着物体传递到温度较低的部分，热传导一般性能：固体＞液体＞气体。

热对流：指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，是液体和气体热传递的主要方式，且气体的对流现象比液体更明显。

热辐射：物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度越高，辐射的总能量则愈大，且不需要任何介质的传递，在真空中即可发生。

基于上述三种传热方式的简介，本结构温度场计算中需考虑的传热方式有：壳体、裙座壳体及保温层自身的热传导；裙座壳体、保温层与空气的对流传热；热箱中空气自身的热对流和热传导，但由于空气导热系数非常低，如若仅考虑空气自身的热传导作用，则势必会导致裙座与下封头连接处的温差较大，计算结果有较大偏差，而同时因热箱中空气在狭小空间内对流效果不明显且又无法准确预知热箱中与空气接触面的实际温度，而无法考虑热对流的影响。故本结构热箱部分仅考虑热辐射的影响，是介于热传导和热对流之间的一种方法。温度场求解边界条件施加如下：

‍【3】温度场求解结果分析

下图分别为包括保温层的整体模型温度场计算结果、设备本体温度场分布及保温层温度分布情况。由下图不难看出，保温层对于设备本体温度分布情况起着决定性的作用，正是由于保温层材料的导热系数很低，使得设备本体部分温度分布趋于均匀，保温效果明显。同时，热箱的存在使得裙座与下封头连接处的总体结构不连续处的温度分布亦趋于均匀，温差大大减小，可显著避免二次温差应力与二次弯曲应力及应力集中的叠加，最终使得在连接处应力得到极大的减小，能使连接处结构承载能力显著加强。

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【4】机械场网格重划分

温度场求解完毕后，将温度场模块与静力分析模块耦合，将温度场计算结果作为初始载荷条件进行机械场热力耦合分析，需将保温层温度场结果进行抑制，而只导入设备本体部分的温度场求解结果，因网格质量对应力求解精度影响较大，此时可对设备本体部分进行网格重划分或细化工作，以进一步提高求解精度，尤其在局部应力较大区域要做到细化网格且保证网格质量。重划分后网格如下图所示：

‍【5】机械场求解边界条件的设置

本模型机械场边界条件设置如下：裙座底截面施加全位移约束；壳体内壁施加内压；接管端部施加与内压平衡的等效压力；将未建模部分设备结构的重量耦合到所建模型上并施加重力加速度，考虑设备自重的影响；考虑介质液柱静压力的影响，导入温度场求解结果；对于高耸设备往往还要考虑地震载荷、风载荷及偏心弯矩的影响，可根据实际情况进行载荷的施加。

‍【6】机械场热力耦合分析结果分析

通过应力强度分布云图可看出：在裙座与下封头连接处的h形锻件内壁处产生最大总应力为461.38MPa，此处应力的较大的原因主要是总体结构不连续产生的二次弯曲应力和温度梯度产生的二次温差应力共同导致的；另外，可看出在裙座保温层分界处裙座上也产生较大的应力，此处主要是因保温段与未保温段温差梯度产生的二次温差应力导致的，由变形因子放大后的云图可清晰的看出，裙座上半段因温度较高向外热膨胀，而下段温度较低限制上段的热膨胀，故因满足分界处变形协调形而产生了相对较大的温差应力。