摘要：基于有限元分析軟件與彈塑性力學(xué)理論，并結(jié)合在役石油化工裝置中的高壓反應(yīng)釜工程為案例，評估反應(yīng)釜在內(nèi)壓、溫度載荷及工作周期內(nèi)的疲勞狀況，確保設(shè)備的安全性和可靠性。結(jié)果顯示，焊接處和內(nèi)壁-耐磨層界面為應(yīng)力集中區(qū)域，疲勞壽命較低?？赏ㄟ^優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝、改進(jìn)材料加強(qiáng)檢測等方式提高反應(yīng)釜運(yùn)行安全性與可靠性。

關(guān)鍵詞：有限元分析；壓力容器；強(qiáng)度評估

中圖分類號：TU714文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.033

0引言

高壓反應(yīng)釜在石油化工裝置中扮演關(guān)鍵角色，但長期交變載荷和頻繁啟停工況使高壓反應(yīng)釜面臨疲勞裂紋擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)。通過有限元分析方法，基于彈塑性力學(xué)理論，開展反應(yīng)釜的應(yīng)力分布和疲勞壽命評估，旨在揭示高溫高壓環(huán)境下的應(yīng)力集中現(xiàn)象和潛在安全隱患。同時(shí)，根據(jù)評估結(jié)果提供相應(yīng)改進(jìn)計(jì)劃，以此提高設(shè)備抗疲勞性能，保證運(yùn)行階段穩(wěn)定性，具有一定學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1工程概況

研究針對一在役石油化工裝置中的高壓反應(yīng)釜進(jìn)行強(qiáng)度評估。該反應(yīng)釜內(nèi)部介質(zhì)為高溫高壓下的氫氣和石油裂解氣，具有強(qiáng)腐蝕性和高擴(kuò)散性，這對設(shè)備的密封性和抗腐蝕能力提出了高要求。設(shè)計(jì)壓力為15 MPa，工作溫度為450℃。反應(yīng)釜材質(zhì)為2.25Cr-1Mo鋼，具有較高的抗蠕變性能。設(shè)備已運(yùn)行20年，面臨周期性的高溫高壓交變載荷，已經(jīng)經(jīng)常出現(xiàn)啟停工況，導(dǎo)致內(nèi)壓和溫度頻繁波動(dòng)，形成周期性高溫高壓交變載荷。曾發(fā)生過幾次小規(guī)模泄漏和裂紋擴(kuò)展，均在檢修過程中修復(fù)。為確保設(shè)備的長期安全運(yùn)行，需對其進(jìn)行詳盡的有限元強(qiáng)度分析，評估其在內(nèi)壓、溫度載荷及工作周期內(nèi)的疲勞狀況，確保設(shè)備在繼續(xù)運(yùn)行中的安全性和可靠性。

2理論基礎(chǔ)

疲勞分析基于Miner線性累積損傷理論，評估壓力容器在周期性載荷下的疲勞壽命。通過計(jì)算循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變，結(jié)合材料的S-N曲線（應(yīng)力—壽命曲線）和Paris-Erdogan裂紋擴(kuò)展理論，評估裂紋擴(kuò)展速率和疲勞壽命。

3基于有限元分析的壓力容器強(qiáng)度評估

3.1有限元建模

依據(jù)實(shí)際壓力容器的結(jié)構(gòu)和尺寸，采用三維建模軟件ANSYS建立其幾何模型。壓力容器為圓柱形高壓反應(yīng)釜，直徑為2.5 m，高度為8 m，殼體壁厚為30 mm，材質(zhì)為2.25Cr-1Mo鋼。重點(diǎn)對殼體、封頭、接管、焊縫等位置進(jìn)行細(xì)致描述。采用10 mm尺寸六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在復(fù)雜區(qū)域，如接管與殼體的連接處，使用5 mm尺寸四面體單元以更好地適應(yīng)幾何形狀。為驗(yàn)證網(wǎng)格劃分合理性，進(jìn)行無關(guān)性測試，逐步細(xì)化網(wǎng)格并比較應(yīng)力參數(shù)。

3.2荷載與邊界條件

針對荷載與邊界條件的設(shè)計(jì)，內(nèi)壓設(shè)定為15 MPa，基于壓力容器的設(shè)計(jì)參數(shù)。內(nèi)壓作用在容器的內(nèi)表面，產(chǎn)生徑向和環(huán)向應(yīng)力。溫度載荷考慮工作溫度為450℃，基于熱傳導(dǎo)方程計(jì)算溫度分布，將其作為熱應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。溫度變化導(dǎo)致材料熱膨脹，引起附加應(yīng)力，需要在熱力耦合分析中綜合考慮。定支撐條件用于模擬壓力容器的實(shí)際安裝狀態(tài)[2]。對稱邊界條件用于簡化模型計(jì)算。由于壓力容器的幾何和載荷分布具有軸對稱特性，只需計(jì)算半個(gè)模型即可，以減少計(jì)算量提高效率。

4結(jié)果分析

4.1靜力學(xué)分析

建立反應(yīng)釜的有限元模型，采用2.25Cr-1Mo鋼的材料參數(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分以確保計(jì)算精度。內(nèi)壓條件設(shè)定為15 MPa，均勻分布于反應(yīng)釜內(nèi)壁。溫度載荷設(shè)定為450℃，模擬工作環(huán)境下的熱應(yīng)力。計(jì)算中，內(nèi)壓和溫度載荷同時(shí)作用于反應(yīng)釜，分析其靜態(tài)應(yīng)力分布（見表1）。

如表1所示，在實(shí)際工況下，內(nèi)壓和溫度載荷作用下的高壓反應(yīng)釜應(yīng)力分布顯示出顯著的區(qū)域特征。內(nèi)壁周向應(yīng)力較大，顯示出內(nèi)壓和溫度梯度對內(nèi)壁應(yīng)力的顯著影響；外壁受力相對較小，焊接處應(yīng)力在高溫高壓環(huán)境下存在潛在安全隱患；內(nèi)壁-耐磨層界面和外壁-耐磨層界面在溫度梯度影響下易產(chǎn)生疲勞裂紋[3]。最高應(yīng)力值出現(xiàn)在焊接處，需重點(diǎn)監(jiān)測此部分，而內(nèi)壁和界面處的熱應(yīng)力較高，顯示出需加強(qiáng)維護(hù)。

4.2熱力耦合分析

如圖1所示。溫度場分布結(jié)果顯示，內(nèi)壁溫度迅速上升至450℃，而外壁溫度相對較低，形成顯著的溫度梯度。隨后進(jìn)行熱應(yīng)力分析，將溫度場結(jié)果施加到結(jié)構(gòu)模型上，計(jì)算內(nèi)外壁及關(guān)鍵部位的熱應(yīng)力分布。結(jié)果表明，內(nèi)壁因溫度變化引起的熱應(yīng)力最大，尤其在內(nèi)壁與耐磨層界面處，熱應(yīng)力最高達(dá)到70 MPa。外壁熱應(yīng)力較小，為40～50 MPa。焊接處由于材料和幾何不連續(xù)性，熱應(yīng)力集中較為明顯，達(dá)到最高60 MPa。

4.3應(yīng)力分類與評估

通過分析結(jié)果，提取容器各關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，采用應(yīng)力分類法，對一次薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力和二次應(yīng)力進(jìn)行分類和評估。一次薄膜應(yīng)力是內(nèi)壓作用下反應(yīng)釜壁厚方向上的平均應(yīng)力，主要存在于反應(yīng)釜的中部區(qū)域（見表2）。

計(jì)算結(jié)果顯示，內(nèi)壁一次彎曲應(yīng)力是由于幾何不連續(xù)性和焊接處等位置引起的應(yīng)力分布不均勻性，主要集中在釜體與封頭連接處。焊接處二次應(yīng)力由溫度變化引起，主要反映在內(nèi)壁與耐磨層界面及焊接處[4]。分析結(jié)果表明，內(nèi)壁一次薄膜應(yīng)力和外壁一次薄膜應(yīng)力均低于材料的屈服強(qiáng)度和允許應(yīng)力，表明在正常工況下，反應(yīng)釜的薄膜應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)。焊接處一次彎曲應(yīng)力雖接近屈服強(qiáng)度，但未超過允許應(yīng)力，需加強(qiáng)監(jiān)測以確保安全。內(nèi)壁與耐磨層界面及焊接處的二次應(yīng)力較高，但未超過材料屈服強(qiáng)度和允許應(yīng)力，顯示出這些區(qū)域在溫度變化下的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4.4安全評估改進(jìn)

針對高壓反應(yīng)釜的安全評估，研究通過裂痕分析與疲勞分析，并利用有限元模型模擬裂紋在不同位置和尺寸下的應(yīng)力強(qiáng)度因子（K值）。在模型中分別設(shè)置焊接處和內(nèi)壁-耐磨層界面的初始裂紋，通過加載內(nèi)壓和溫度載荷，計(jì)算不同載荷條件下的K值。能夠發(fā)現(xiàn)，焊接處和內(nèi)壁-耐磨層界面是裂紋易發(fā)區(qū)域，K值較高，接近材料的斷裂韌性。通過有限元分析，加載交變內(nèi)壓和溫度循環(huán)，計(jì)算焊接處和內(nèi)壁-耐磨層界面的疲勞壽命。分析中考慮了材料的S-N曲線和疲勞強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)焊接處和內(nèi)壁-耐磨層界面的疲勞壽命顯著低于其他部位，僅為20，000次循環(huán)，顯示出這些區(qū)域在實(shí)際運(yùn)行條件下容易發(fā)生疲勞損傷，需重點(diǎn)關(guān)注。

基于有限元分析法和熱彈性力學(xué)理論，對壓力容器的強(qiáng)度進(jìn)行了評估，并據(jù)此提出了一系列針對性的改進(jìn)措施。第一，對于裂紋易發(fā)區(qū)域，應(yīng)采用高精度的無損檢測技術(shù)，例如，超聲波檢測和磁粉檢測，以定期監(jiān)測裂紋的擴(kuò)展?fàn)顩r。第二，優(yōu)化焊接工藝，采用能夠減少殘余應(yīng)力的焊接技術(shù)，以降低焊接區(qū)域的應(yīng)力集中。第三，改進(jìn)材料的選擇，采用更高韌性的合金材料，以增強(qiáng)抗裂紋擴(kuò)展的能力。第四，建議在高應(yīng)力區(qū)域增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，例如，增加加固環(huán)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的均勻分布，從而延長疲勞壽命。采取上述改進(jìn)措施后，預(yù)期將顯著提高高壓反應(yīng)釜的安全性和可靠性，保障其在高溫高壓環(huán)境下的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

5結(jié)束語

研究結(jié)果表明，焊接處和內(nèi)壁-耐磨層界面是此次工況條件下潛在的薄弱環(huán)節(jié)，需重點(diǎn)監(jiān)測和維護(hù)。改進(jìn)建議包括采用高精度無損檢測技術(shù)、優(yōu)化焊接工藝、改進(jìn)材料選擇及增加結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等措施。這些措施的實(shí)施，將有效提升反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗疲勞性能，確保其在苛刻工況下的長期安全運(yùn)行。

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作者簡介

張東曉，女，1991年出生，學(xué)士，研究方向?yàn)閴毫θ萜髻|(zhì)量檢驗(yàn)鑒定。

（編輯：劉一童，收稿日期：2024-08-06）