三旋内集气室结构热膨胀耦合分析

三旋内集气室结构热膨胀耦合分析

在动力裂化装置（rcc）和甲醇醇酸醚（mto）的情况下，三旋旋转式结构的内集气室结构主要用于内集气室。内集气室执行着许多功能，如悬吊内件、隔离空间和收集气体。三旋部件存在较大的温度梯度,高温造成的温度应力与机械应力相互耦合。本文通过几何模型的建立、物理条件的确定和大量的计算和对比分析,研究了内集气室结构在复杂工况下的温度、变形和受力特点。1模型的构建1.1材料和封头的材质根据工业装置中典型内集气室的结构和尺寸,简化后的几何模型如图1所示。模型中金属壳体、进气烟道和悬吊板上段材质为Q235-R碳钢,悬吊板下段、顶板和中心进气管材质为06Cr18Ni9不锈钢,材料的物性参数按照GB150和JB4732的相关章节进行选取。封头壳体采用冷壁设计,内壁敷设了100mm厚度的C级隔热耐磨单层衬里,衬里的导热系数为0.4W/(m·℃)。内集气室结构的主体尺寸和壁厚如表1所示。1.2结构应力分析本模型热分析时选用了plane55单元。利用热分析得到节点的温度场后,在前处理中把热单元plane55转化为结构单元plane42,然后进行结构应力分析。根据几何尺寸和结构特点,在不同的部位分别采用了三角形和四边形网格划分,特殊部位采用了局部细化的方法,单元个数为13393个。1.3辐射传热系数环衬里内部、衬里和金属之间、金属内部是根据导热基本定律———傅里叶定律的基本公式和方法进行了热传导的计算。金属外侧器壁对大气的放热取第三类边界条件,由对流换热和辐射放热两部分组成。考虑到器壁或涂层的温度在160℃左右,这时对流换热起主要作用,辐射传热起次要作用,采用了折算的对流和辐射联合换热系数,环境温度按20℃进行计算。内侧器壁与介质的换热也取第三类边界条件,主要是对流换热。器壁与介质的对流传热的换热系数,影响计算的因素有很多,有介质组成、形态、密度和速度等。采用了根据工程实践推算出的经验对流传热系数,介质温度按750℃进行计算。1.4载荷的施加采用了轴对称模型,模型中筒体下端采用Y向约束,模型施加0.35MPa的内压载荷,旋风分离器系统的重量载荷转化为均布载荷施加在斜顶板上。2在发热和温度场分析2.1稳态传热分析借助计算机数值模拟技术和ANSYS软件,根据正常操作时的工况条件进行了稳态传热分析,不考虑温度变化和波动,得到内集气室结构整体的温度场分布如图2所示。2.2u3000高温下的热性能悬吊板的温度场分布如图3所示。由于悬吊板的一端与壳体封头相焊接,处于相对低温区,计算温度为220℃。悬吊板的另一端在750℃的高温介质中,处于相对高温区。悬吊板两端的温度差高达530℃。2.3u3000焊点以下的位置壳体封头与悬吊板焊接部位附近的温度场分布如图4所示。图中X坐标0点为壳体封头与悬吊板相焊接的部位,X坐标负值为焊点以下的位置,X坐标正值为焊点以上的位置。由于悬吊板的导热,壳体封头与悬吊板相焊接部位会呈现出一定程度的相对高温(197℃)。该部位靠下侧的金属壳体,由于内部隔热材料的局部加厚,会呈现出较大程度的相对低温(142℃)。该部位靠上侧的金属壳体,温度会逐渐降低到正常壁温。可以看出,该区域的壳体封头上存在剧烈的温度变化。3在热交换器条件下，数值模拟和比较分析3.1悬吊板和封头的变形由于全部顶板和大部分悬吊板都处于高温区,顶板的径向膨胀作用于悬吊板,并通过悬吊板对封头产生一定的径向推力,悬吊板吸收了冷壁封头和热壁顶板之间的热变形不一致。图5显示了悬吊板和封头的变形情况。可见最大变形处在悬吊板下端点,径向变形高达32mm。最小变形处在悬吊板上端点,也就是与壳体封头焊接处,径向变形在2mm左右。3.2应力强度法定模型根据计算,在温度应力、压力载荷和内件重力载荷的联合作用下,悬吊板和封头焊接部位出现高应力区。原因是这个部位存在着较大的温度梯度,其温度应力比例较大。如图6所示,选择悬吊板焊接部位附近的1-4条路径进行应力评定。按照JB4732—1995《钢制压力容器-分析设计标准》中的方法,对这4条路径进行应力线性化和应力分类,对各类应力强度按照不同的许用极限进行评定。计算结果表明,在重力和内压作用下,各评定路径中的局部薄膜应力强度SⅡ和一次加二次应力强度SⅣ的最大值都在30MPa以下,满足各自许用极限的要求。在重力、内压和热膨胀的联合作用下,路径3的各项应力强度可以满足评定要求。但路径1,2和4的一次加二次应力强度SⅣ的最大值高达500MPa以上,参照JB4732—1995中5.4.3条的方法进行疲劳分析和热应力棘轮分析,也满足了设计准则的要求。4悬吊板焊接部位设计(1)内集气室结构的悬吊板部件中存在较大的温度梯度,不同部位的温度差高达530℃。(2)内集气室结构中热膨胀变形十分严重,悬吊板最大变形32mm,壳体封头最大变形2mm。(3)悬吊板焊接部位由于热应力和机械应力的叠加耦合,是比较苛刻的高应力区,一次加二次应力强度SⅣ的最大值高达500MPa以上。选取4个重点路径,进行许用极限