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加氫反應器在煉油、在化工行業(yè)中有較為廣泛的應用，在煉油工業(yè)中，高壓高溫加氫精制技術已經(jīng)超過半個世紀的歷史。該類設備承受壓力高結(jié)構(gòu)特殊，受力復雜，造價昂貴。使用常規(guī)設計方法往往存在材料的浪費，安定性不足等問題。使用分析設計的方法可以降低材料的安全系數(shù)，可以采用較高的許用應力，并能夠?qū)Y(jié)構(gòu)做出詳細的應力強度分析。本研究以某化工廠加氫反應裝置為例，對加氫反應器物料出口、卸料口、下封頭部位采用有限元軟件ANSYS對該設備進行有限元分析。
有限元分析是適應于電子計算機的使用而發(fā)展起來的數(shù)值計算方法，有限元認為：整體結(jié)構(gòu)可以看作由有限個力學小單元互相連接而組成的集合，得到每個單元的解，組合起來就能得到整體結(jié)構(gòu)的解。在分析求解時，必須對各個單元位移的分布做出假設，即選擇一個簡單的函數(shù)來近似的表達單元位移分量隨坐標變化的分布規(guī)律，這種函數(shù)稱為有限元位移函數(shù)。根據(jù)選定的位移模式，用節(jié)點位移表示單位內(nèi)認一點的位移，其矩陣表達形式。根據(jù)所有相鄰單元在公共節(jié)點上的位移相同和每個節(jié)點力與節(jié)點載荷保持平衡的原則，形成總的剛度方程。
加氫反應器的下封頭簡圖如圖所示，主要有下封頭，出料口，卸料口，法蘭接管都組成。筒體內(nèi)徑3200mm，設計壓力19.9MPa。水壓試驗壓力主要受壓元件為12Cr2Mo1VR鋼板和12Cr2Mo1V，各材料均在線彈性范圍內(nèi)。材料在各個溫度下的材料屬性如表所示。出料口由于物料的原因存在管口載荷，對整體模型使用Solid186單元進行網(wǎng)格劃分。整個模型都采用六面體網(wǎng)格，共計單元數(shù)27134，節(jié)點數(shù)135238。劃分單元后的有限元模型如圖所示。在本研究的加氫模型中，在出料口出還存在管口載荷，由于有限元軟件ANSYS中對實體單元Solid186不能直接施加彎矩和扭矩載荷，因此使用MPC184單元對出料口法蘭處施加管口載荷。(1)上封頭處施加完全固定約束；(2)物料出口施加端面載荷：P=-3.2MPa；(3)卸料口施加端面載荷：P=-20.8MPa；(4)內(nèi)壓載荷:設計壓力P=19.9水壓試壓載荷P=28.9MPa；(5)物料出口法蘭處施加管口載荷：FX=20kN，F(xiàn)Y=20kN，F(xiàn)Z=-20kN，MX=40kNm，MY=40kNmM，MZ=40kNm。
封頭在設計壓力下的第三強度當量應力云圖如圖所示。危險截面主要發(fā)生在封頭法蘭處和出料口彎管處。如圖是接管法蘭應力云圖，法蘭處的應力最大值達到了324.5MPa。這主要是由于在此區(qū)域的結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的應力集中，此處的應力應屬于局部應力，具有自限性。如圖是彎管的應力云圖，此處的應力主要是由于管口載荷引起的，造成了很大的彎曲應力。圖如圖所示。最大應力發(fā)生在封頭法蘭處。最大應力達到了503.3MPa。主要是由于壓力在此不連續(xù)處產(chǎn)生的彎曲應力集中造成的。
根據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設計標準》將下封頭、法蘭、接管的危險截面進行等效線性化處理，得到在截面的上的主應力，通過主應力即可得到第三強度當量應力，并分別歸為一次總體薄膜應力(PL)，一次局部薄膜應力(Pa)，二次應力(口)，峰值應力等。路徑選取的原則是通過應力最大處，并沿壁厚的最短距離處。在設計載荷下取4條路徑(1-4)進行評定，在水壓試驗下取3條路徑(5-7)進行評定，其中5-7分別對應。
(1)出料口法蘭出存在的管口載荷對出料口彎管早成了比較大的彎曲應力，(2)采用ANSYS軟件能夠準確反應出各個部位的真實應力狀態(tài)，方法簡單實用，為應力評定提供了準確的參考和依據(jù)，(3)通過計算在下封頭法蘭處還有一定的裕量，可以對下封頭法蘭進行結(jié)構(gòu)上的改進和優(yōu)化。
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