高温高压羰化釜的疲劳分析设计

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高温高压羰化釜的疲劳分析设计
李鹏飞（山东豪迈化工技术）引言目前，在国内外石油、化工、医药等行业产品生产装置中，反应釜是广泛应用的关键设备之一，担负着提供化学反应场所的重要作用，是整个化工工艺流程的心脏。然而，反应介质通常具有毒性和腐蚀性等特点，一旦泄漏，不但会影响产品质量，还会对操作人员和环境造成极大的危害。因此在确保使用安全的前提下，如何合理设计、制造反应釜设备具有非常重要的现实意义。笔者以山东豪迈化工技术有限公司承揽的羰化釜为例，介绍疲劳分析的设计思路和方法，图1为羰化釜结构图。
图1反应釜结构图1 设计工况羰化釜设计参数和条件列于表1（摘自用户提供的羰化釜装配图简图、压力温度波动曲线图、凸缘条件图）。羰化釜由内筒、夹套、盘管组成，年工作300天，其中，内筒的压力波动曲线如图2所示，温度波动曲线如图3所示。夹套在升温阶段采用280℃导热油加热，降温阶段采用30℃冷导热油冷却。羰化釜不同工况下的内筒载荷计算条件见表2。表1 羰化釜设计参数与条件表


2 分析方法本羰化釜高约4.2米，不需要考虑风载荷与地震载荷。根据用户提供的设计条件，本项目计算时不考虑外部管线对接管的附加作用力。由于羰化釜表面有140mm厚的岩棉保温层，因而在运行过程中沿壁厚方向的温差很小，温度波动引起的疲劳不予以考虑，仅考虑压力波动造成的疲劳。由于上部旋转轴孔的受力有五种情况，为减少计算量，在进行设备整体分析之前，计算了上部旋转轴孔的受力情况，由此可知，旋转轴孔最恶劣受力工况为轴孔受力最大时，因此，设备整体分析只加载旋转轴孔受力最大的情况。结构分析模型：模型含筒体、上下封头、人孔、开孔接管，采用solid186单元及solid187单元划分网格。考核封头、筒体、封头和筒体连接处、封头上的开孔接管和人孔、等在设备内压+自重的强度和疲劳问题，考核耳式支座与夹套连接处局部的受力情况。为减少计算量，将模型分为三部分计算，即：模型Ⅰ：上封头、人孔、封头上接管及部分筒体，模型Ⅱ：下封头、开孔接管、部分筒体。模型Ⅲ：耳式支座、夹套、内筒。基于以上分析，结合JB4732-1995的有关规定，本设备整体模型主要考虑以下两个工况：①         设计工况：p=11.0MPa（设计压力）②         工作工况：p=8.5MPa  （工作压力）对于静强度分析，查看壳体所有结构不连续部位的应力情况，得出壳体中性面和内、外表面的应力强度值，依据强度判定准则，进行应力分类校核。对于疲劳分析，该设备存在两个压力波动循环，疲劳循环设计操作次数分别为16000次、8000次，根据工作载荷循环下由各模型计算的Sv值，查疲劳曲线，得到工作许用循环操作次数，并计算疲劳累积损伤系数，从而判断该容器能否满足疲劳强度要求。
3 分析计算结果

3.1

模型Ⅰ的分析计算模型Ⅰ含上封头、人孔、封头上接管及部分筒体，为了减少计算量，不在联合补强范围内的相同尺寸接管予以省略，模型如图4所示，包括上封头、部分筒体、人孔、上部旋转轴孔、接管等。设计工况下模型Ⅰ的第三强度当量应力云图如图5～图6。

3.2

模型Ⅱ的分析计算模型Ⅱ含下封头、开孔接管及部分筒体，考虑到结构及载荷的对称性，取1/4作为计算模型，如图7所示。设计工况下模型Ⅱ的第三强度当量应力云图如图8～图9。

3.3

模型Ⅲ的分析计算模型Ⅲ含上封头、筒体、下封头、夹套及耳式支座，为了减少计算量，取1/4模型，模型如图10所示。设计工况下模型Ⅱ的第三强度当量应力云图如图11～图12。
4 技术要求

1.本设备按JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》（2005 年确认）的规定进行制造、检验和验收。

2.本身材料、制造、检验与验收应符合《羰化釜制造技术条件》（R15SAD-01-JS）。

3.水压试验及实际操作过程中所用水的氯离子含量不得大于25mg/L，试验完毕后应立即将水排净吹干。

4.本设备制造过程中所有不锈钢材料应防止铁离子污染。

5. 设备焊接后，应进行整体消除应力热处理，热处理后不得在设备上直接施焊。

6.所有受压元件的焊接接头均需采用为全焊透结构，当无法实施双面焊时，应采用相当于双面焊的全焊透结构，且为连续焊。双面焊的焊接接头，单侧焊接后应进行背面清根，清根后坡口表面进行100%磁粉检测，按NB/T47013.4标准 I级合格。

7. 所有受压元件之间及非受压元件与受压件焊接的角焊缝应打磨圆滑过渡，并进行100%MT或者PT检测，按NB/T47013标准I级合格。上凸缘D类焊缝100%超声检测，按NB/T47013.3-2015Ⅰ级合格。

8. 除注明外, 角焊缝的焊脚高度为较薄件的厚度, 法兰的焊接按相应的法兰标准, 所有A、B类焊接接头应打磨至与母材齐平不允许保留余高。

9. 碳钢外表面进行喷丸或喷砂处理，表面清洁度要求达到Sa2.5级，然后喷300℃有机硅耐热防锈底漆两道，喷300℃银灰色有机硅耐热面漆一道，喷漆后总厚度不小于70μm。

10. 设备内部需要进行酸洗钝化,采用蓝点法检验，以无蓝点为合格。

11. 内筒上封头基材成形最小厚度≥100mm(含腐蚀裕量);内筒下封头基材成形最小厚度≥54mm(含腐蚀裕量)；夹套封头成形最小厚度≥14mm(含腐蚀裕量)。

12. 凸缘中心线与设备主轴线同轴度最大允差为0.2mm。上、下凸缘同轴度最大允差为0.2mm。

13. 凸缘密封面应与容器主轴线垂直，最大允差为0.2mm。法兰螺栓孔应与壳体主轴线或铅垂线跨中布置。

14. 管法兰配对,其余用户自配。

15. 严格控制错边量，不允许进行强力组装。

16. 不得采用硬印作为材料和焊工标记。

17. 筒体内壁焊后打磨，保证粗糙度6.3。

5 总结与展望本文以羰化釜反应釜为研究对象，针对羰化釜的带夹套及内外伴热的结构特点和高温高压疲劳的使用条件，突破分析设计思路，大胆采用多种焊接方式相结合的制造方法，使设备能够安全有效的运行。除此之外，对于同类产品出现过的问题进行了改善创新、对于设备在运行过程中的可能出现的问题进行了预测防护。迄今为止，羰化釜反应釜设备已经投入使用，据客户的反馈使用效果良好。国内在反应釜等化工机械设备的设计和制造方面已经有了很大进步，但在实际应用中还有很多不足。设备的局限性，功能的单一性，产品的可靠性，加上同行业间的竞争，使各个企业面临的形势十分严峻。只有使化工产品向知识密集化、技术综合化、产品智能化等方面发展才能在未来走的更快更远。