1、-.29第11期高压尿素设备接管外载荷作用下极限载荷分析刘国振，谭代福（1河北正元化工工程设计有限公司，河北石家庄0 50 0 6 1）(2河北阳煤正元化工集团有限公司，河北石家庄0 50 0 6 1）摘要】本文应用Ansys软件建立了真实的接管补强模型，对外载荷作用下的接管分别进行了设计工况和操作工况下的极限载荷分析，得出了接管在外载荷作用下满足设计要求的结论。【关键词】尿素设备；有限单元法；极限载荷；应力分析在压力容器应力分析中，经常采用弹性分析或塑性分析，弹性分析法对应于材料的本构模型是线弹性模型（胡克定律），采用小变形理论，得到名义应力与应变，然后通过截面最短距离做线性化路径，得到不同
2、的应力并按JB4732l进行分类，针对不同的类别的应力按照各自的失效准则进行评定，而在做应力线性化路径 2 和网格的划分过程中，与设计人员有很大关系，随机性较大，并且结构在复杂载荷作用下，即使对结构进行了线性化处理，仍难以准确的区分结构中某些部位的一次应力与二次应力的强度，并可能导致出现冒进的做法。极限载荷分析采用弹性-理想塑性模型和小变形理论，随着塑性理论和非线性有限元分析方法的日趋成熟，欧盟标准EN134453和ASME规范又先后推出了压力容器的极限载荷分析法和弹-塑性分析设计方法，极限载荷分析采用弹性-理想塑性模型和小变形理论，免除了应力线性化与应力分类，填补了应力分类法的缺陷。由于极限
3、载荷分析设计方法无需应力分类，所以具有更大的优越性和先进性。在尿素高压设备 4 中，接管补强结构与常规的压力容器不同，其结构简图见图1所示，其由补强锻件和接管组成，其中补强锻件材质与壳体材质一致，补强锻件与壳体采用全焊透结构，起到补强的作用，接管材质采用尿素级不锈钢，接管与补强锻件在壳体内部开设U形坡口，进行局部焊接，接管与介质接触，起到耐腐蚀的作用。另外壳体内壁堆焊尿素级不锈钢，同样为了耐介质的腐蚀。此种结构在外载荷的作用下，应力分类可能会造成冒进，因此本文采用极限载荷分析对某高压甲铵冷凝器的接管外载荷进行分析计算。本文按ASMEVI-2（2 0 2 1版）5 中5.2.3 节进行极限载荷分
4、析，具体按5.2.3.5节步骤进行计算，载荷考虑相应的载荷系数1.5，如果结构在载荷工况下均达到收敛，则结构处于稳定。100R20R&0Z0960图1结构简图作者简介：刘国振（19 8 1-），男，高级工程师，主要从事压力容器设计、审核工作。30-2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备1有限元模型的建立模型的主要几何参数见图1所示。1.1模型的建立因仅考虑外载荷作用下的结构强度问题，因此建立有限元模型时不考虑上平盖组件，为体图2 有限元模型现出结构详细的应力状况，因此建模时采用全模型，且建模时考虑壳体内部耐蚀堆焊层。有限元模型见图2 所示。本模型采用SOLID186单位，总单元数为2 1
5、9 3 6 0 个，节点9 4412 0 个。1.2各部件材质见表1所示，操作工况及设计工况下材料的力学性能建表2、表3：表1各部件材质部件材质封头Q345R凸缘20MnMo补强锻件20MnMo接管尿素级不锈钢2 5-2 2-2耐蚀层尿素级不锈钢2 5-2 2-2过渡层焊缝金属表2 操作工况材料力学性能操作工况材料屈服强度操作温度下许用应力/操作温度下弹性模量/操作温度下线膨胀系牌号泊松比/MPaMPaMPa数/mm/mm.Q345R235156.80.319220012.10220MnMo2941960.319120012.102耐蚀层2061370.318420016.022焊缝金属220
6、.5146.90.318820014.062表3 设计工况材料力学性能牌号设计工况材料屈服强度/MPa设计温度下许用应力/MPa泊松比设计温度下弹性模量/MPaQ345R2251500.319100020MnMo2941960.3190000耐蚀层2061370.3183000焊缝金属215.5143.50.31870001.3边界条件本结构考虑两种工况，为操作工况和设计工况，见表4所示。表4设计参数操作工况设计工况工作压力MPa15.4设计压力Mpa16.2计算金属温度180计算金属温度20参考温度20参考温度20a）位移边界条件：筒体底部施加轴向位移约束和轴向位移约束；b）温度载荷：因设备
7、有良好的保温，因此可认为在操作工况下各部件壁温与工作温度相同，因为在操作工况下对各部件施加温度载荷18 0。c）压力边界条件：1、壳体及接管内壁施加内压，操作工况P=1.5X15.4=23.1Mpa，设计工况P=1.5X16.2=24.3MPa;2、接管外壁与补强锻件内壁设置接触对；3、接管端面和凸缘端面施加等效压力，见表5;4、接管h端面建立RemotePoint（位于接管端面中心），RemotePoint施加管口计算载荷，见表6,;31刘国振等高压尿素设备接管外载荷作用下极限载荷分析第11期张差，计算金属温度18 0，计算参考温度2 0。5、操作工况计入线膨胀系数不同引起的膨胀差，讠表5管
8、口端部等效应力计算管口接管规格工况公式P/MPa接管端部等效压力/MpaDES16.2-45.8H219.1x21OPE15.4-43.54P=Di2/(Do2-Di2)XPx1.5DES16.2-19.44凸缘1200 x200OPE15.4-18.48表6 管口计算载荷管口工况Fx/NFy/NFz/NMx/N.mmMy/N.mmMz/N.mmDES-7383-4254-45231-17667000-5376000016570500HOPE-5455.5-3772.5-42100.5-15751500-49687500148785002设计工况有限元分析结果Szres lotensityTy
9、pee Sbreea InbenskyUeMpaTie1408.87MaX36.533102272.80227.52182.19136:0546.1790.84302Min图2.1非线性收敛曲线图图2.2 设计工况下极限载荷应力云图ElasticStrein tntensityTotaiDeformationTypeEuestic Strain IntensityTyperToteDeleemetionUinittmm/mmTime:1Time10.002.7975MaXc1.5704MaX0.00240731.44120.00217711.3120.00186691.38200.001550
10、71.05360.00124650.924370.400936350795150.000626160.465940.000:315960.536725.769e-5Mln0.40751Mlm图2.3 设计工况位移图图2.4等效塑性应变云图32-2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备压力整檬型GapType:Gap框力壁领型LinitmmTime:1SuatusTypeShatas-044655MmX-0.58605OverConstrainad-0.72714-0.86743Near-1.0077stding-1.148sdmg-1.2883-14285-1.5689-1.7092Min
11、图2.5设计工况接触状态图图2.6 设计工况间隙图3操作工况有限元分析结果Soress teteneityTypec Seress tniterisityUNEMOTine1423.64Max076.66329.b9262712057418878141.7994.87747.836O.86159Min图3.1非线性收敛曲线图图3.2 操作工况下极限载荷应力云图C：陈力加通度整型TotalDeformationC:压力加业宾壁模型Type:Total DeformationElastic Strain IntensityUnit:mmType:Elastic StrainIntensityTim
12、e:1Unit:mm/mmTime:15.0413Max4.82740.00Z8804Max4.61950.0025614.39960.00224164.18560.00192223.97170.00160283.75780.00128343.54390.000964033.32990.000644643.116Min0.000325255.8581e-6Min图3.3 操作工况位移图图3.4等效塑性应变云图C:压力加温實整膜型StatusC:历力制温度整辅型TypeStatusGapTime:1Type:GopUnit:mmOver ConstrainedTime:1Far-0.41547M
13、aXNear-0.54442siding-0.67337sticking-0.80232-0.93127-1.0602-1.1892-1.3181-14471-1.576MIn图3.5操作工况接触状态图图3.6 操作工况间图（下转2 8 页）收稿日期：2 0 2 3-0 6-12 修回日期：2 0 2 3-10-10（上接3 2 页）收稿日期：2 0 2 3-0 6-13 修回日期：2 0 2 3-10-0 9-28-2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备完成后，即对旧设备进行提升，先在旧设备两端各安两台50 吨千斤顶，千斤顶与设备之间用钢板或支托予以保护，将设备顶升起来（两台千斤顶同时
14、工作，保证起升高度一致），待设备底座脱离框架支撑底座时，检查设备移位平台焊缝有无撕裂，平台以及底层钢梁有无变形、移位情况，确保安全。（2）设备移位平台及底层钢梁检查没有问题，继续顶升旧设备，待到设备底座与框架支撑底座之间的空间能加装滚杠时，就在设备底座两端铺设滚杠，并与底座固定好，然后落下千斤顶，让棍杠承重。1.4本吊装中的安全技术措施在本设备的吊装过程中，安全技术方面做到以下几点：（1）根据安装施工的实际情况，严格细致制定吊装方案，并经专家论证；（2）在现场建立以项目经理为组长，安全负责人为副组长，专职安全员、各职能负责人为组员的项目安全生产领导小组，在项目形成纵横网络管理体制；（3）对电工
15、、电焊工、起重吊装工、登高作业等特殊工种实行持证上岗，无证者不得从事上述工种的作业；（4）凡大中型机械安装、电气线路架设等通过对比两种工况发现，1、在设计工况和操作工况下均得到收敛解；2、在操作工况下，因为存在温度载荷的影响，所以其最大应力值和最大位移值略大于设计工况；3、在两种工况下，接管与补强锻件一直存在间隙，且操作工况下的间隙小于设计工况；4结论1、通过极限载荷分析得出两种工况下无论是应力状态，还是位移状态，两者总体相差不大，且两种工况均能够得到收敛值，说明在这两种工况下本结构是安全的。2、极限载荷分析有效的弥补了应力线性化与应力分类法中的不足，会在压力容器应力设计项目完成后，都必须经过
16、有关部门检查验收合格后，方可使用；(5)每天定期作安全检查，每次检查都要有记录，对查出的事故隐患要限期整改。对未按要求整改的要给单位或当事人以经济处罚，直至停工整顿；(6)吊装前所有参与工作人员必须参加技术交底，层层交底，直至交底到现场施工人员。2结语本次复杂工况下大型设备拆装作业是一项重要的检修任务，直接关系到装置恢复生产，各个环节必须做到安全可控。随着LNG工厂设备使用年限的不断增加，类似无法维修或维修经济性不高等原因需要更换设备的情况会逐步发生，本次复杂工况下大型设备拆装作业的成功实施，为后续实施类似项目提供工作信心、实践借鉴，也积了丰富的操作经验。参考文献1周益华，浅谈受限空间安装技术
17、 ，四川成都2 0 16.5.2王青，狭窄空间大型设备安装技术 ，财经界：学术版，2015(22)：12 7-12 8,13 5.3朱建芳，李光，受限空间内构吊件安装 ，16 7 3-10 6 9(2020）11-0 0 2 1-0 2.中得到广泛应用。其广泛应用于一些复杂结构或大直径的薄壁结构，且还可以采用壳单元进行建模，不仅简化了模型，还减少了工作量。参考文献1JB4732一19 9 5，钢制压力容器一分析设计标准（2 0 0 5年确认 S.2余伟炜，高炳军ANSYS在机械与化工装备中的应用第二版M：北京：中国水利水电出版社，2007.3 EN 13445-3,Unfired Pressure VesselS.4丁伯民，黄正林。化工设备设计全书-一一高压容一器M】北京：化学工业出版社，2 0 0 2.5 2021 ASME Boiler and Pressure Vessel CodeSectionVIl,Division 2,Alternative RulesS.
