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大型制氢转化炉辐射段管系有限元分析①

更新时间：2009-03-28

大型制氢转化炉是制氢装置中投资大、能耗多的关键设备，其运行效率和安全可靠性对整个装置的运行起着决定性作用[1]。大型制氢转化炉辐射段管系是其核心部分，辐射段管系安装和工作的安全性直接关系到整个制氢转化炉的可靠性，大型制氢转化炉辐射段管系的结构复杂，所以辐射段管系在冷态安装和热态工作两种工况下的结构计算分析至关重要。笔者利用有限元分析方法对该大型制氢转化炉辐射段管系在这两种工况下的整体结构进行了分析计算，保证了辐射段管系结构的安全性。

1 结构和参数

14万m3/h大型制氢转化炉辐射段管系结构如图1所示，该管系有396根上猪尾管炉，396根转化炉管，工作状态下每根上猪尾管温度可达632℃，每根转化炉管温度可达930℃。各管路参数见表1。

一是从关心群众生活做起，领导干部要知民情、解民忧、暖民心，了解群众疾苦，关心群众生活，努力保障和改善民生，多办群众看得见、摸得着的实事，让发展的成果惠及员工群众，努力解除员工群众的后顾之忧。

  

图1 大型制氢转化炉辐射段管系结构示意图

现阶段，我国许多山区水资源都存在短缺的现象，人畜饮水得不到及时的供应，人们只能通过收集雨水来维持生活，如遇干旱少雨的季节，山区井水的水位就会降低，群众的生活用水无法得到保障，农业发展水平与农民的生活水平无法得到提高。水资源短缺的形成原因主要体现在以下两方面[1]，一是山区缺乏健全的供水设施，山区中没有建立调节水池，硬件设备老旧，无法正常运行，导致山区的供水量不足。二是自然环境的恶化造成水资源的短缺，部分人在利益的驱使下，乱砍乱伐森林资源，导致生态平衡被破坏，水土流失现象日益严重。

 

表1 大型制氢转化炉辐射段管系各管路参数

  

管线规格/mm温度/℃材料入口集气管ϕ356×16632TP347H上猪尾管ϕ35×4632TP347H转化炉管ϕ113×13.5930ZG45Ni35Cr25NbM热壁集气管ϕ160×28850ZG10Ni32Cr20Nb

2 辐射段管系整体结构有限元分析

有限元模型分析参数设置[2，3]：材料泊松比均取0.3，弹性模量参数值如图2所示，热膨胀系数如图3所示。网格采用pipe289单元划分(图4)，模型划分为38 914个单元和77 436个节点。

  

图2 弹性模量

  

图3 热膨胀系数

  

图4 网格划分

工况1(冷态安装)边界条件为约束入口集气管最左侧支管x向位移，约束入口集气管中间支管y方向位移和支管末端z向负方向位移，约束热壁集气管z向位移(图5)。同时按要求限制各管路膨胀位移量。工况1载荷施加为每根入口集气管支管施加垂直吊架恒载，每两根上猪尾管由一个恒载吊架支撑，每两根转化炉管有一个恒载吊架支撑(图6)。并且对整个管系施加自重载荷。工况2(热态安装)是在工况1边界条件的基础上，对整个管系施加温度载荷。

  

图5 工况1边界及载荷施加

  

图6 工况1载荷结果

从药品审评审批制度改革论新药创制与仿制药产业的共同发展…………………………… 邵 蓉，董心月，蒋 蓉（3·161）

选取冷态设计应力强度S(TP347H)=138MPa，热态设计应力强度S(ZG45Ni35Cr25NbM 930℃)=93MPa。根据JB 4732-95，对于工况1而言，最大值应力值S1=88.5MPa，位于入口集气管中间支管与首根上猪尾管连接处；对于工况2而言，最大应力值S2=89.6MPa，仍然位于入口集气管中间支管与首根上猪尾管连接处。笔者还分析了仅施加温度载荷的情况，此时，最大值应力值为St=7.12MPa，位于上猪尾管与转化炉管连接处[4，5]。

综合工况1与工况2，评定结果为S1<1.5S(TP347H), S2<1.5S(ZG45Ni35Cr25NbM 930℃)<3S(ZG45Ni35Cr25NbM 930℃)[5]，满足要求。

3 结束语

根据分析结果，得出了由温度产生的热应力的最大值位置在上猪尾管和转化炉管连接处，所以上猪尾管和转化炉管连接处应保证有较好的自由度。无论是冷态安装还是热态工作工况，最大应力位置都出现在入口集齐支管和首根上猪尾管连接处。入口集气支管和首根上猪尾管连接处在设计制造过程中应保证有合理的焊接结构，选用较好的焊材，合理的无损检测方法，以保证焊接结构全焊透。

参 考 文 献

[1] 王志文.化工容器设计[M].北京:化学工业出版社,1998.

[2] 王国强.实用数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,1999.

[3] 余伟炜,高炳军.ANSYS在机械与化工设备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[4] 叶夏妮，刘福江，陆明万.应力等效线性化处理中的若干问题[J].压力容器，2011，28(2)：54～59.

[5] JB 4732-95，钢制压力容器-分析设计标准(2005年确认)[S].北京：中国石油化工总公司，1995.

 
郭华军，吴振松
《化工机械》 2018年第02期
《化工机械》2018年第02期文献

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