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摘要：通过有限单元法，对尾气再热器大开孔区域在壳程和夹套压力共同作用下进行应力计算和强度分析。根据计算结果，判定该设备在该处的安全性，也为此类超标准设计的校核评定提供了新的方法和新思路。
关键词：再热器；有限单元法；大开孔；校核评定
中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 20-0000-03
1 前言
本文对5万吨/年硝酸项目氧化系统中一台尾气再热器壳体大开孔接管结构进行强度校核分析，因生产工艺要求在该尾气再热器中需设一等径开孔接管结构（如图1所示），由于该结构尺寸已超出GB150《钢制压力容器》标准8.2条所规定的开孔允许范围，难以采用常规设计计算方法确定结构强度能否满足正常的工作需要。因此依照JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》，对尾气再热器壳体大开孔接管结构强度进行数值分析计算并对结构强度进行相关的校核。
2 建立有限元模型
2.1 尾气再热器壳体结构及参数
2.2 建立几何模型
用ANSYS有限元软件对上述结构和参数建立模型，根据筒体和接管连接部位结构特点和载荷性质，采用三维力学模型。由于该结构对称于xoy平面，因此在进行有限元分析时只需取整体的1/2。因为本文主要分析大开口区域的强度，故接管只取法兰以下颈部部分，筒体取长度为2010mm。
2.3 网格划分
应用ANSYS有限元分析程序对结构进行结构划分，采用8节点六面体单元（solid 45），将模型分割成规整的部分进行sweep网格划分。整个模型共形成了20160个单元及27850个节点。单元划分后的整个有限元计算模型见图。
2.4 施加载荷与约束
将模型右端截面在x轴方向进行约束，将模型上端截面在y轴方向上进行约束，在对称面上施加对称约束。壳程内表面施加0.9Mpa载荷，在壳程外表面施加1.7Mpa载荷，在夹套内表面施加1.7Mpa载荷。模型约束和载荷分布状况如下图
2.5 计算结果分析
对施加载荷后的有限元计算模型进行计算求解。经ANSYS结构有限元分析程序计算的应力分布结果见图6。
由计算结果知，最大应力点发生在其最大应力为164.282 MPa，最小应力为1.188MPa，如图7所示。
由图8可知设备最大位移位于夹套外表面接管和筒体结合中心处，为0.951542mm。
2.6 线性化处理
在最大应力区进行线性化处理。先定出最大应力的位置，沿壁厚方向取定另外一点。通过线性化分析，得到线性化处理的结果图，如图9所示。
该路径下线性化处理的数据如下：
其中，MEMBRAN表示局部薄膜应力，BENDING表示弯曲应力，MEMBRANE PLUS BENDING表示局部薄膜加弯曲应力，PEAK表示峰值应力，TOTAL表示总应力。
3 强度校核
3.1 条件及公式说明
由应力强度图可知壳程无危险区域，可不做强度校核。由于各类应力对失效的危害程度不同，所以对它们的限制条件也各不相同。在分析设计中，一次应力的的许用值是由极限分析确定，主要目的是防止韧性断裂或塑性失稳；二次应力的许用值是由安定性分析确定，目的在于防止塑性疲劳或过度塑性变形；而峰值应力的许用值是由疲劳分析确定的，目的在于防止由大小或方向改变的载荷引起的疲劳。
查文献[1]知，许用应力：
Sm=min{ } （4）
其中σs=210MPa，ns=1.5， 1=107MPa， =1.5，σb=520 MPa，nb=2.7，将数据代入公式（4），得到Sm1=71.3MPa，Sm2=86.7K值取为1。由下面五种应力强度校核公式进行强度校核[1]：
（1）一次总体薄膜应力强度：
SⅠ≤KSm （5）
SⅠ=σθ （6）
其中，σθ为接管与筒体连接处的周向应力，MPA
由文献[1]知周向应力：
σθ==pD/2t （7）
p—内压，p=1.7Mpa
D—接管中径，D=1267mm
t—接管壁厚，t=42mm
（2）一次局部薄膜应力强度：
SⅡ≤1.5KSm （8）
（3）一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度：
SⅢ≤1.5KSm （9）
（4）一次加二次应力强度：
SⅣ≤3Sm （10）
由线性化处理的结果可知PL=147.1 Mpa，Pb=65.75 MPa，Q=67.75 MPa，F=16.49 MPa。其中PL为局部薄膜应力，Pb为弯曲应力，Q为二次应力，F为峰值应力。
3.2 强度计算及校核
通过计算得：
（1）一次总体薄膜应力强度SⅠ=σθ1=25.64＜KSm=1×=86.7 MPa，满足强度要求。
（2）一次局部薄膜应力强度SⅡ1=PL=147.2＞1.5×1×71.3=130.05 MPa，不满足强度要求。
（3）一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度SⅢ1=PL+Q=217.85＞1.5×1×86，。7=130.05Mpa，不满足强度要求。
（4）一次加二次应力强度SⅣ1=PL+Pb+Q=282.6＞3×71.3=260.1 MPa，不满足要求。
4 结论
由上述计算，分析可知，壳程在设计压力0.9Mpa，设计温度410℃下，处于安全状态。夹套在设计压力1.7MPa，设计温度200℃下，一次总体薄膜应力强度满足要求，但一次局部薄膜应力强度SⅡ、一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度SⅢ、一次加二次应力强度SⅣ、峰值应力强度SⅤ均不符合强度要求，设备在该处处于不安全状态。故可知大开口变径处容易产生大的应力集中使设备处于不安全状态。
参考文献：
[1]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2010，6.
[2]JB4732—95.刚制压力容器—分析设计标准[S]
[3]莫维尼.ANSYS理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2008，1.
[作者简介]张仲奇（1990-），男，福建人，本科生，福州大学过程装备与控制工程专业学生，研究方向为材料力学、有限元分析等。
关键词：再热器；有限单元法；大开孔；校核评定
中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 20-0000-03
1 前言
本文对5万吨/年硝酸项目氧化系统中一台尾气再热器壳体大开孔接管结构进行强度校核分析，因生产工艺要求在该尾气再热器中需设一等径开孔接管结构（如图1所示），由于该结构尺寸已超出GB150《钢制压力容器》标准8.2条所规定的开孔允许范围，难以采用常规设计计算方法确定结构强度能否满足正常的工作需要。因此依照JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》，对尾气再热器壳体大开孔接管结构强度进行数值分析计算并对结构强度进行相关的校核。
2 建立有限元模型
2.1 尾气再热器壳体结构及参数
2.2 建立几何模型
用ANSYS有限元软件对上述结构和参数建立模型，根据筒体和接管连接部位结构特点和载荷性质，采用三维力学模型。由于该结构对称于xoy平面，因此在进行有限元分析时只需取整体的1/2。因为本文主要分析大开口区域的强度，故接管只取法兰以下颈部部分，筒体取长度为2010mm。
2.3 网格划分
应用ANSYS有限元分析程序对结构进行结构划分，采用8节点六面体单元（solid 45），将模型分割成规整的部分进行sweep网格划分。整个模型共形成了20160个单元及27850个节点。单元划分后的整个有限元计算模型见图。
2.4 施加载荷与约束
将模型右端截面在x轴方向进行约束，将模型上端截面在y轴方向上进行约束，在对称面上施加对称约束。壳程内表面施加0.9Mpa载荷，在壳程外表面施加1.7Mpa载荷，在夹套内表面施加1.7Mpa载荷。模型约束和载荷分布状况如下图
2.5 计算结果分析
对施加载荷后的有限元计算模型进行计算求解。经ANSYS结构有限元分析程序计算的应力分布结果见图6。
由计算结果知，最大应力点发生在其最大应力为164.282 MPa，最小应力为1.188MPa，如图7所示。
由图8可知设备最大位移位于夹套外表面接管和筒体结合中心处，为0.951542mm。
2.6 线性化处理
在最大应力区进行线性化处理。先定出最大应力的位置，沿壁厚方向取定另外一点。通过线性化分析，得到线性化处理的结果图，如图9所示。
该路径下线性化处理的数据如下：
其中，MEMBRAN表示局部薄膜应力，BENDING表示弯曲应力，MEMBRANE PLUS BENDING表示局部薄膜加弯曲应力，PEAK表示峰值应力，TOTAL表示总应力。
3 强度校核
3.1 条件及公式说明
由应力强度图可知壳程无危险区域，可不做强度校核。由于各类应力对失效的危害程度不同，所以对它们的限制条件也各不相同。在分析设计中，一次应力的的许用值是由极限分析确定，主要目的是防止韧性断裂或塑性失稳；二次应力的许用值是由安定性分析确定，目的在于防止塑性疲劳或过度塑性变形；而峰值应力的许用值是由疲劳分析确定的，目的在于防止由大小或方向改变的载荷引起的疲劳。
查文献[1]知，许用应力：
Sm=min{ } （4）
其中σs=210MPa，ns=1.5， 1=107MPa， =1.5，σb=520 MPa，nb=2.7，将数据代入公式（4），得到Sm1=71.3MPa，Sm2=86.7K值取为1。由下面五种应力强度校核公式进行强度校核[1]：
（1）一次总体薄膜应力强度：
SⅠ≤KSm （5）
SⅠ=σθ （6）
其中，σθ为接管与筒体连接处的周向应力，MPA
由文献[1]知周向应力：
σθ==pD/2t （7）
p—内压，p=1.7Mpa
D—接管中径，D=1267mm
t—接管壁厚，t=42mm
（2）一次局部薄膜应力强度：
SⅡ≤1.5KSm （8）
（3）一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度：
SⅢ≤1.5KSm （9）
（4）一次加二次应力强度：
SⅣ≤3Sm （10）
由线性化处理的结果可知PL=147.1 Mpa，Pb=65.75 MPa，Q=67.75 MPa，F=16.49 MPa。其中PL为局部薄膜应力，Pb为弯曲应力，Q为二次应力，F为峰值应力。
3.2 强度计算及校核
通过计算得：
（1）一次总体薄膜应力强度SⅠ=σθ1=25.64＜KSm=1×=86.7 MPa，满足强度要求。
（2）一次局部薄膜应力强度SⅡ1=PL=147.2＞1.5×1×71.3=130.05 MPa，不满足强度要求。
（3）一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度SⅢ1=PL+Q=217.85＞1.5×1×86，。7=130.05Mpa，不满足强度要求。
（4）一次加二次应力强度SⅣ1=PL+Pb+Q=282.6＞3×71.3=260.1 MPa，不满足要求。
4 结论
由上述计算，分析可知，壳程在设计压力0.9Mpa，设计温度410℃下，处于安全状态。夹套在设计压力1.7MPa，设计温度200℃下，一次总体薄膜应力强度满足要求，但一次局部薄膜应力强度SⅡ、一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度SⅢ、一次加二次应力强度SⅣ、峰值应力强度SⅤ均不符合强度要求，设备在该处处于不安全状态。故可知大开口变径处容易产生大的应力集中使设备处于不安全状态。
参考文献：
[1]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2010，6.
[2]JB4732—95.刚制压力容器—分析设计标准[S]
[3]莫维尼.ANSYS理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2008，1.
[作者简介]张仲奇（1990-），男，福建人，本科生，福州大学过程装备与控制工程专业学生，研究方向为材料力学、有限元分析等。