高溫設(shè)備在石化行業(yè)中應(yīng)用越來越多，在標(biāo)準(zhǔn)中我們也經(jīng)?？吹綄?duì)于低溫或高溫設(shè)備往往在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)部分相較于一般設(shè)備多了很多特殊的技術(shù)要求。對(duì)于高溫反應(yīng)器或塔器等，一般在高溫、高壓、臨氫條件下工作，其下封頭與裙座連接處是典型的高應(yīng)力區(qū)：?一是由于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的二次應(yīng)力，二是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，三是由于溫度梯度的存在導(dǎo)致產(chǎn)生較大的二次溫差應(yīng)力，故其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)必然會(huì)有更高的要求。而常規(guī)設(shè)計(jì)普遍采用基于最大主應(yīng)力的第一強(qiáng)度理論，采用旋轉(zhuǎn)無力矩理論只考慮一次加載情況下的薄膜應(yīng)力，而無法去考慮并計(jì)算二次應(yīng)力，雖然二次應(yīng)力具有自限性且其危害性并沒有一次應(yīng)力的大，但二次應(yīng)力在結(jié)構(gòu)安定性方面起著決定性作用，而此時(shí)常規(guī)計(jì)算已經(jīng)無法保證結(jié)構(gòu)的安全了，而有限元法在此方面的優(yōu)越性則顯而易見。

本文以一高溫反應(yīng)器為例（此前公眾號(hào)發(fā)布的文章是用經(jīng)典界面做的，本次介紹其在WB中的建模和求解過程）。該設(shè)備為錐形裙座，裙座與h形鍛件相連接，設(shè)計(jì)壓力為18MPa，設(shè)計(jì)溫度為480℃（根據(jù)塔器標(biāo)準(zhǔn)要求：當(dāng)下封頭設(shè)計(jì)溫度大于等于400℃時(shí)，在裙座上部靠近封頭處應(yīng)設(shè)置隔氣圈），該設(shè)備亦在裙座與下封頭連接處設(shè)置隔氣圈并通過隔氣圈形成一個(gè)熱箱來改善下裙座與下封頭連接處的溫度梯度變化，以達(dá)到減小二次溫差應(yīng)力的目的。裙座與下封頭連接結(jié)構(gòu)示意圖如下：

【1】有限元建模

本文中采用WB三維全模型建模（如果結(jié)構(gòu)形狀、材料、載荷等均具有對(duì)稱性，則可采用簡(jiǎn)化的二維平面模型或三維軸對(duì)稱模型，但實(shí)際上對(duì)于采用裙座的高聳設(shè)備，往往需要考慮地震載荷、風(fēng)載荷、偏心彎矩的影響，此時(shí)必須建立三維模型），為精確模擬分別建出設(shè)備主體部分和保溫層模型，并分別設(shè)置上述不同的材料屬性，模型和網(wǎng)格示意圖如下：

 

【2】溫度場(chǎng)求解邊界條件的設(shè)置

熱量傳遞的三種方式有：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。

熱傳導(dǎo)：熱傳導(dǎo)是介質(zhì)內(nèi)無宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳熱想想，其在固體、液體和氣體中均可發(fā)生，但嚴(yán)格而言，只有在固體中才是純粹的熱傳導(dǎo)，熱量從溫度較高的部分沿著物體傳遞到溫度較低的部分，熱傳導(dǎo)一般性能：固體＞液體＞氣體。

熱對(duì)流：指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程，是液體和氣體熱傳遞的主要方式，且氣體的對(duì)流現(xiàn)象比液體更明顯。

熱輻射：物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度越高，輻射的總能量則愈大，且不需要任何介質(zhì)的傳遞，在真空中即可發(fā)生。

故本結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)求解邊界條件施加如下：

?【3】溫度場(chǎng)求解結(jié)果分析 

下圖分別為包括保溫層的整體模型溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果、設(shè)備本體溫度場(chǎng)分布及保溫層溫度分布情況。由下圖不難看出，保溫層對(duì)于設(shè)備本體溫度分布情況起著決定性的作用，正是由于保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，使得設(shè)備本體部分溫度分布趨于均勻，保溫效果明顯。同時(shí)，熱箱的存在使得裙座與下封頭連接處的總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的溫度分布亦趨于均勻，溫差大大減小，可顯著避免二次溫差應(yīng)力與二次彎曲應(yīng)力及應(yīng)力集中的疊加，最終使得在連接處應(yīng)力得到極大的減小，能使連接處結(jié)構(gòu)承載能力顯著加強(qiáng)。

【4】機(jī)械場(chǎng)網(wǎng)格重劃分 

溫度場(chǎng)求解完畢后，將溫度場(chǎng)模塊與靜力分析模塊耦合，將溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作為初始載荷條件進(jìn)行機(jī)械場(chǎng)熱力耦合分析，需將保溫層溫度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行抑制，而只導(dǎo)入設(shè)備本體部分的溫度場(chǎng)求解結(jié)果，因網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)應(yīng)力求解精度影響較大，此時(shí)可對(duì)設(shè)備本體部分進(jìn)行網(wǎng)格重劃分或細(xì)化工作，以進(jìn)一步提高求解精度，尤其在局部應(yīng)力較大區(qū)域要做到細(xì)化網(wǎng)格且保證網(wǎng)格質(zhì)量。重劃分后網(wǎng)格如下圖所示：

 

?【5】機(jī)械場(chǎng)求解邊界條件的設(shè)置 

本模型機(jī)械場(chǎng)邊界條件設(shè)置如下，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行載荷的施加。

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【6】機(jī)械場(chǎng)熱力耦合分析結(jié)果分析 

通過應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖可看出：在裙座與下封頭連接處的h形鍛件內(nèi)壁處產(chǎn)生最大總應(yīng)力為461.38MPa，此處應(yīng)力的較大的原因主要是總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的二次彎曲應(yīng)力和溫度梯度產(chǎn)生的二次溫差應(yīng)力共同導(dǎo)致的；另外，可看出在裙座保溫層分界處裙座上也產(chǎn)生較大的應(yīng)力，此處主要是因保溫段與未保溫段溫差梯度產(chǎn)生的二次溫差應(yīng)力導(dǎo)致的，由變形因子放大后的云圖可清晰的看出，裙座上半段因溫度較高向外熱膨脹，而下段溫度較低限制上段的熱膨脹，故因滿足分界處變形協(xié)調(diào)形而產(chǎn)生了相對(duì)較大的溫差應(yīng)力。

最終按彈性名義應(yīng)力分類法對(duì)高應(yīng)力區(qū)域的不連續(xù)部位進(jìn)行了路徑劃分并進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力劃類，共定義4條路徑，每條路徑上的局部薄膜應(yīng)力及一次+二次應(yīng)力分別小于1.5Sm和3Sm，按JB/T4732標(biāo)準(zhǔn)的判定則本模型強(qiáng)度計(jì)算合格，評(píng)定結(jié)果通過。

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