【实例欣赏】加氢反应器裙座热分析

当裙座在风载荷、地震载荷作用时，沿环向不同截面产生的弯曲应力不一样，且与温差应力相叠加，很难确定最大应力所在的截面。因此，裙座在考虑温度场，且承受风载荷、地震载荷作用时，将其简化成平面二维模型很有可能出现计算结果不准确。

如何对裙座进行设计呢？

一般的做法是根据NB/T47041—2014确定的裙座初始厚度，建立裙座的三维有限元模型，在内压、自重、风载荷、地震载荷以及热载荷作用下，对其进行详细的应力分析，并按分析设计标准JB4732进行应力强度评定，以确保结构的安全性。

如何对裙座进行准确的温度场分析呢？

反应器封头的热量通过导热、对流和辐射方式传到裙座筒体上，很难用软件对裙座处的温度场进行准确模拟。若只考虑热传导，空气的导热系数非常低，传递的热量有限，会导致裙座处的温差较大，造成较大的热应力，使计算结果严重偏离现实；若只考虑对流，设置热箱的主体温度非常重要，计算出来的结果会比较冒进；而热辐射是介于导热和对流之间的一种方法，若能计算通过，则能保证结构的安全性。

实际案例：

图1给出了裙座结构尺寸示意图。该设备为锥形裙座，裙座与h型锻件相连接。为了减小h型锻件处的应力集中，里面的倒角设置成20 mm。在裙座处设置了热箱来改善该区域的温度场分布，进而降低温差应力。

设计条件

该反应器的设计压力为18.0 MPa，设计温度为480 ℃，工作压力为16.45 MPa，工作温度为447 ℃。该设备的主体材料为12Cr2Mo1VR，在不同温度下材料性能参数如表1所示。在设计温度下材料的许用应力S_m=157 MPa。

有限元建模：

由于要对裙座的温度场进行分析，所以在建模时建出保温层材料。在进行应力分析时，要对筒体端面施加风、地震以及偏心载荷产生的弯矩，故需要建出全模型，图2为带保温层裙座的三维模型。为了保证求解的精度，进行热分析时采用Solid90单元，在进行结构分析时，转换成具有20节点的高阶单元Solid186。模型中所有的体均采用6面体网格进行划分，不断对网格进行细化，直至求解的结果基本不变，图3显示了结构的网格划分。

温度场边界条件：

在进行热分析时，由于反应器内壁的温度与介质温度几乎一致，可以设置内壁温度为480 ℃，为边界1，保温层外壁与空气进行对流换热，对流换热系数为12 W/(m2.K)，为边界2。反应器与保温层之间进行导热来传递热量。热箱处边界条件的设置是温度场计算的关键，计算结果表明在热箱内产生的辐射效应对计算温度场结果影响较大。在热箱同时内存在对流和辐射，但由于空间狭小很难形成对流，因此，忽略对流的影响，只考虑辐射传热问题，表面辐射率为0.5，为边界3。边界4为绝热边界条件。具体的热边界条件的设置如图4所示。

机械场边界条件：

在进行热-机械载荷耦合分析时，在结构内表面施加内压载荷，在筒体端面施加由内压与操作时重力产生的等效压力，并在筒体端面上施加风、地震以及偏心载荷产生的弯矩或等效应力。约束条件为在裙座筒体的下端面施加全约束。具体载荷与边界条件如图5所示。

分析结果：

图6显示了带保温层温度场分布云图。从图中可以看出，正是由于热箱的设置，使得裙座与下封头连接处的温度场分布较均匀，减小了温差产生的应力。在保温层的外壁温度较低，与环境温度接近。

应力强度评定：

在JB4732中给出若考虑地震与风载荷，载荷组合系数K可取1.2，在这里K值仍取1.0，按照更严格的条件来控制。由于温差应力属于二次应力，因此，带温度场的工况只评定一次加二次应力。