基于PERA SIM的塔式反应器热应力分析
安世亚太工程师
王晓惠
0.摘要
针对某加氢塔式反应器，设计温度与设计压力均较高，需要考虑压力载荷和热应力对结构强度的影响，因此，选择加氢反应器上较为危险的上封头开孔接管位置进行热-结构耦合分析。PERA SIM Mechanical作为安世亚太自主研发的核心产品之一，是功能强大、模块整合的机械仿真分析工具。本文介绍了PERA SIM Mechanical在结构热分析领域的应用。
关键词：塔式反应器，热应力；PERA SIM Mechanical
1.引言
现代化工生产已经向着高参数方向发展，即操作条件多为高温高压，这无疑对设备结构的强度提出了严峻的挑战。例如炼油工艺中的大型加氢反应器，该设备尺寸大，器壁较厚，操作过程中经历高温高压，这样的设备在设计过程中除了要考虑压力载荷对设备结构强度的影响，同时还应该考虑由于温度分布不均造成的热应力对结构强度的影响。
本文将要重点介绍如何采用安世亚太通用仿真软件 PERA SIM Mechanical软件计算塔式反应器热应力，并将计算结果与主流商用CAE软件进行对比。
2.塔式反应器热应力分析技术路线
建立加氢反应器的上封头开孔接管局部模型后进行如下分析过程：
A. 应用稳态热分析功能对结构进行稳态温度场分析，得到结构的稳态温度场；
B. 应用结构分析功能，输入稳态温度场结果，同时对设备施加压力载荷，对结构进行热应力计算。
图1 加氢反应器
3.有限元模型的建立
3.1 模型建立及简化
设备几何与边界载荷均具备对称条件，因此采用1/4对称模型进行有限元分析。
为了网格的质量与一致性，对加氢反应器几何，进行切分与共享拓扑处理，如下图所示。
图2 加氢反应器几何
3.2 网格划分
采用低阶实体单元对网格进行划分，单元边长设置为10mm，生成六面体网格模型，以上操作均在某主流软件软件中完成，定义节点和单元组合以便后续边界和载荷的施加，并导出有限元模型文件“reactormesh.dat”作为PERA SIM的输入文件。
图3 网格模型
3.3 材料设置
在PERA SIM中导入网格模型文件reactormesh.dat，设置材料属性，并将属性施加在所有的单元上。
图4 材料属性
3.4 载荷及边界条件
（1）稳态热分析
容器内壁温度为400℃，外壁施加对流边界，对流系数5e-06 W/mm2·℃。
图5 热边界与载荷
（2）静态结构分析
通过如下设置，热计算温度分布直接导入结构计算，在静力结构分析中考虑热应力计算。
图6 热应力计算设置
同时，在对称面施加法向位移约束，底面施加法向位移约束，内壁压力为7MPa，接管上表面施加等效接管载荷3.35MPa。
图7 结构边界与载荷
4.计算结果分析
4.1热应力计算结果
经过计算，计算结果如下。
图8 温度分布云图
图9 热应力计算变形云图
图10 热应力计算应力强度云图
4.2 某主流软件热应力计算结果
采用某主流软件软件进行同样的边界和载荷设置，进行热应力分析，计算结果如下。
图11 某主流软件计算结果
5.结论
该热应力计算中，除了考虑温度分布不均引起的热应力之外，同时考虑了结构载荷，在温度与压力的作用下，结构的最大变形为9.4mm，发生在接管外边缘，最大应力强度为142.4MPa，位于焊接区域。
自主软件PERA SIM与某主流软件结算结果对比：
表格 1 计算结果对比
由上表可见，对于该热应力计算，PERA SIM计算结果与某主流软件结果吻合，满足工程计算要求。
