接管管口内径对卧式反应釜接管应力状态的影响

doi:10.11902/1005.4537.2022.381

接管管口内径对卧式反应釜接管应力状态的影响

何彬彬¹, 侯宇¹, 吴子轩¹, 李子立¹, 李桃², 颜建伟^,¹

1.华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室南昌 330013

2.江西萍乡龙发实业股份有限公司萍乡 337100

Influence of Inner Diameter of Nozzle on Stress State of Horizontal Reactor Nozzle

HE Binbin¹, HOU Yu¹, WU Zixuan¹, LI Zili¹, LI Tao², YAN Jianwei^,¹

1.State Key Laboratory of Rail Transit Infrastructure Performance Monitoring and Assurance, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China

2.Jiangxi Pingxiang Longfa Industrial Co., Ltd., Pingxiang 337100, China

通讯作者: 颜建伟，E-mail:jianwei@mail.ustc.edu.cn，研究方向为材料结构演化多尺度分析

收稿日期: 2022-12-05 修回日期: 2023-02-10

基金资助:

国家自然科学基金. 12072112
江西省杰出青年科学基金. 20202ACBL214014

Corresponding authors: YAN Jianwei, E-mail:jianwei@mail.ustc.edu.cn

Received: 2022-12-05 Revised: 2023-02-10

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China. 12072112
Jiangxi Provincial Science Fund for Distinguished Young Scholars. 20202ACBL214014

作者简介 About authors

何彬彬，女，1990年生，博士，讲师

摘要

在考虑压力荷载、温度荷载、压力/温度耦合荷载3种工况的前提下，分别建立了不同内径的接管部分有限元模型，分析了特种耐酸耐温耐压砖和Asplit HB胶泥在3种工况及不同接管管口内径下接管应力状态的三向应力分布规律，明确了接管管口在工作过程中各层结构的危险区域。结果表明：对于特种耐酸耐温耐压砖，管口半径越大，在压力荷载作用下，其径向、环向最大拉应力越大；在温度荷载作用下，其径向、轴向最大拉应力越大；在压力/温度耦合荷载作用下，其三向最大拉应力均越大。对于Asplit HB胶泥，管口半径越大，在压力荷载作用下，其轴向最大拉应力随着管口半径的增大而增大。在温度荷载作用下，其环向最大拉应力随着管口半径的增大而增大，轴向相反，最大拉应力随着管口半径的增大而减小。在压力/温度耦合荷载作用下，径向最大拉应力随着管口半径的增大而增大。

关键词： 卧式反应釜 ; 接管内径 ; 有限元模型 ; 应力分析 ; Asplit HB胶泥

Abstract

By taking the three working loads into account, namely pressure, temperature and pressure/temperature coupling, several finite element models for pipe parts with different inner diameters were constructed respectively, and then the triaxial distribution of pipe stresses of the special acid-, temperature- and pressure-resistant brick and Asplit HB cement was analyzed by different inner diameters of pipe nozzle under three working conditions. The dangerous degree of different positions of the pipe nozzle during working process is clarified. The results show that for the special acid-, temperature- and pressure-resistant brick, the larger the radius of the pipe opening, the larger the maximum tensile stress in the radial and annular direction under the action of pressure load. Under the action of temperature load, the maximum tensile stress in radial and axial direction increases. Under the coupled pressure/temperature load, the maximum tensile stress in all three directions increases. For Asplit HB cement, the maximum axial tensile stress increases with the increase of the radius of the pipe mouth under pressure load. Under the action of temperature load, the maximum tensile stress in the annular direction increases with the increase of the tube orifice radius, while in the axial direction, the maximum tensile stress decreases with the increase of the tube orifice radius. Under the pressure/temperature coupling load, the maximum radial tensile stress increases with the increase of the orifice radius.

Keywords： horizontal reactor ; tube diameter ; finite element model ; stress analysis ; Asplit HB cement

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本文引用格式

何彬彬, 侯宇, 吴子轩, 李子立, 李桃, 颜建伟. 接管管口内径对卧式反应釜接管应力状态的影响. 中国腐蚀与防护学报[J], 2023, 43(6): 1399-1406 DOI:10.11902/1005.4537.2022.381

HE Binbin, HOU Yu, WU Zixuan, LI Zili, LI Tao, YAN Jianwei. Influence of Inner Diameter of Nozzle on Stress State of Horizontal Reactor Nozzle. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2023, 43(6): 1399-1406 DOI:10.11902/1005.4537.2022.381

反应釜是一种广泛应用于工业领域的反应容器，具有良好的耐高温高压、耐腐蚀的内衬设计，满足绝大部分物化反应实验^[1~5]。然而其内衬通常由多种理、化性能差异很大的材料组成，在不同工作状态下，各种材料之间的应力应变状态也不相同，从而导致内衬层之间产生脱胶、开裂等问题，影响设备正常工作^[6]。接管是反应釜设备的重要部件，其易损坏变形、购买及维护经济和时间成本高等问题比较显著^{[7, 8]}。因此，研究不同接管内径下的接管各层结构应力分布规律，在确保和增强设备的正常使用性能和安全性能两方面起到重要作用。

目前，部分学者对反应釜及相似设备在工作状态下的力学性能和材料性能开展了大量研究。Kashkoli等^[9]研究了圆筒压力容器在温度梯度和内部不均匀压力作用下的蠕变损伤和剩余寿命，提出了采用有限元方法的数值解。研究表明，温度梯度和非均匀压力对容器的蠕变损伤和剩余寿命有显著影响。研究人员^[10~12]对油井管、及管道钢的耐腐蚀行为进行了研究，结果表明，油井管的腐蚀速率随实验周期的增加而减小，管道钢的抗应力腐蚀开裂 (SCC) 行为对pH和动态交流干扰比较敏感。汪勇^[13]采用一种结合有限元法和边界积分法的新方法计算了圆柱形储液容器自振频率，相比传统将液壳都化为有限元模型的方法，其系统自由度大幅减小。Arioka^[14]和Zhai等^[15]研究表明690合金经过“特殊热处理”后冷却加工，会促进SCC裂纹萌生。吴俊哲等^[16]通过有限元分析，解决了液氮预冷设备的容器失效问题。焦洋等^[17]综述了核电不锈材料的应力腐蚀开裂行为，总结了未来研究中的重难点问题。李天夫等^[18]对反应釜顶盖泄露问题进行了分析，结果表明，由于该反应釜在加工过程中未进行退火处理，导致裂纹萌生，引起泄漏事故。刘星等^[19]分析了表面状态对TC4钛合金的耐腐蚀影响，结果表明表面粗糙度对TC4的耐腐蚀性影响较大，表面光滑有助于增加其耐蚀性。

综上所述，现有成果对反应釜及相似设备的某些结构材料的研究较多，进而研究分析结构失效的原因及其优化措施，而对筒体外部接管的应力分布与危险区域的研究尚不多见。鉴于此，本文在考虑压力、温度荷载、压力/温度耦合荷载3种工况的前提下，分别建立了不同内径的接管部分有限元模型，重点分析了特种耐酸耐温耐压砖、Asplit HB胶泥及其它接管结构在3种工况及不同接管内径下的三向应力分布规律，明确接管管口在工作过程中各层结构的危险区域。

1 计算模型建立

1.1 计算参数

如图1所示，卧式反应釜的主要组成部分包括特种耐酸耐温耐压砖、Asplit HB胶泥、隔离层 (铅层、隔膜)、钢壳。此外，每个接管内还包括聚四氟乙烯套管、钛内衬管等辅助部分。卧式反应釜的筒体部分内径为4828 mm，两层特种耐酸耐温耐压砖从内至外厚度依次为114和65 mm，每层砖之间Asplit HB胶泥厚度为5 mm，钢壳与外层砖之间设置隔离层，分别为6 mm的铅层和6 mm的隔膜。接管内径由接管类型决定，其中，a型接管内径为614 mm，b/c/f型为814 mm，d型为214 mm。材料参数见表1。

图1

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图1 卧式反应釜结构及有限元模型示意图

Fig.1 Diagram of the horizontal reactor (a), nozzle (b) and its finite element model (c)

表1 卧式反应釜各层结构性能参数

Table 1 Structural performance parameters of each layer of horizontal reactor

Material	Tensile strength MPa	Compressive strength MPa	Elastic modulus GPa	Coefficient of expansion ×10^-6/K	Thermal conductivity W/(m·K)	Poisson's ratio	Density kg/m³
Steel	490-620	/	209	10.6-12.2	48	0.3	7850
Special acid, temperature and pressure resistant brick	21	80-120	22-48	3.0-5.4	1.0-2.1	0.2-0.32	2150-2600
Asplit HB Cement	10	30	11	12	1.2	0.3-0.35	2000
Lead	14.7	15.1	17	29.3	35	0.42	11680
Diaphragm	62-69	≥40	3.1-3.3	62.4	0.2-2.2	0.3-0.4	1020
PTEF	19.61-35.21	19.52	0.28	103-114	0.256	0.4	2100-2300
TA2	440-620	>460 (yield)	117	10.2	19.3	0.33	4506

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1.2 有限元模型及计算工况

建模时采用SOLID70单元求解温度场，SOLID95单元进行应力分析。各层结构都可以在模型中得到反映，将各层砖在面内近似处理为均质材料，计算时其性能采用特种耐酸耐温耐压砖和砖缝Asplit HB胶泥的复合等效性能进行计算。边界条件为对称约束，并在管口凹槽及其上部区域进行约束，实现管口封盖的作用。考虑到模型计算速度和准确性，设置网格单元大小为35 mm。根据对称性，取接管部分1/4建立三维有限元模型，分析接管各层结构的应力分布规律。接管有限元模型见图1c。

本文分别建立3种不同内径的接管有限元模型，每种接管按下列3种工况计算：工况1为筒体与接管内表面施加内压，即设计压力2.0 MPa；工况2为筒体与接管内表面分别施加170和35.5 ℃的设计温度；工况3为工况1和2耦合状态下的应力分析。

2 模型验证

根据材料力学，对薄壁圆筒内施加内应力，圆环上每个径向截面都作用相同的法向拉力。半圆环上的内应力沿y方向的合力为：

F_{R} = \int_{0}^{π} (p b \frac{d}{2} d φ) s i n φ = p b d

(1)

式中，F_R为半圆环上的内压力沿y正半轴方向的合力，作用线与y轴重合；p为作用在薄壁圆筒内部的内应力；b为薄壁圆筒长度；d为薄壁圆筒的内直径； $φ$ 为环向方向上微元体与x正半轴的夹角。

由对称关系可知，F_R与半环两侧截面上的拉力相等，F_N为半环两侧截面上的拉力，F_y 为y方向合力。

由平衡方程得：

Σ F_{y} = 0

(2)

则F_N为：

F_{N} = \frac{F_{R}}{2} = \frac{p b d}{2}

(3)

由于圆环壁厚远小于内直径，故可近似认为径向截面正应力均匀分布。故径向截面正应力为：

σ_{θ} = \frac{F_{N}}{A} = \frac{p b d}{2 b δ} = \frac{p d}{2 δ}

(4)

式中， $σ_{θ}$ 为薄壁圆筒径向截面正应力；A为薄壁圆筒径向截面面积；δ为薄壁圆筒壁厚。

带入反应釜钢壳相关参数到上述材料力学公式(4)中，计算钢壳径向截面正应力理论值，见下表2。图2为ANSYS计算50 mm厚钢壳工况1作用下环向方向的应力分布云图。

表2 3种工况下3种类型管口特种耐酸耐温耐压砖不同方向应力汇总

Table 2 Summary of the stresses in different directions of three types of special acid-, temperature- and pressure-resistant brick at the nozzle under three working conditions

Working condition	Nozzle type	Radial stress MPa	Annular stress MPa	Axial stress MPa	Von Mises stress MPa
Working condition I (pressure only)	a-type	9.61	17.45	6.76	20.04
Working condition I (pressure only)	b/c/f-type	17.39	22.04	6.86	28.52
	d-type	7.79	10.34	1.84	14.28
Working condition Ⅱ (temperature only)	a-type	18.10	11.23	11.99	48.03
Working condition Ⅱ (temperature only)	b/c/f-type	21.48	13.17	16.18	57.06
	d-type	13.50	12.02	7.36	27.58
Working condition Ⅲ (pressure / temperature combination)	a-type	20.20	23.14	13.59	24.52
Working condition Ⅲ (pressure / temperature combination)	b/c/f-type	24.06	24.80	14.57	34.22
	d-type	15.51	20.83	11.64	18.35
Limit (MPa)					21

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图2

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图2 50 mm厚钢壳工况1应力分布云图

Fig.2 Stress distribution cloud map of 50 mm thick steel shell under working condition 1

为了验证有限元模型的有效性，将式(4)计算结果和有限元模型求解结果进行对比验证。对于50 mm厚钢壳径向截面的正应力，通过式(4)计算的理论值为63.44 MPa，利用ANSYS有限元模型计算得到的值为63.99 MPa，两者之间的误差约为0.86%，属于可接受的误差范围，钢壳的有限元模型可以认为是准确的。同时，使用材料力学公式计算时效率过低，为提高计算效率，本文采用ANSYS对接管管口各层结构进行应力分析。

3 接管管口受力分析

3.1 接管管口半径对接管砖体受力的影响

以接管内径为614 mm的a型管口为研究对象，分析工况1、2、3条件下特种耐酸耐温耐压砖的三向应力分布规律，见图3和表2。工况1下：径向方向上，a型管口特种耐酸耐温耐压砖大部分受压，最大拉应力位于管口连接处小范围区域，b/c/f型管口及d型管口特种耐酸耐温耐压砖受力形式和最大拉应力位置同a型管口，但前者最大拉应力上升至17.39 MPa，后者下降至7.79 MPa；环向方向上，a型管口砖体应力状态同径向相似，拉应力范围相比径向扩大，最大拉应力上升至17.45 MPa。d型管口砖体受力大部分受拉，拉应力范围显著扩大；轴向方向上，a型管口最大拉应力出现在管口内侧砖体外缘。b/c/f型管口砖体的径向、环向应力对比a型管口明显增大，轴向应力变化不大。工况2下：径向方向上，a型管口处特种耐酸耐温耐压砖大部分受拉，最大拉应力在管口接口处外边缘和管口内侧砖体外边缘。b/c/f型、d型管口的特种耐酸耐温耐压砖受力形式与拉应力范围同a型管口类似；环向方向上，a型、b/c/f型和d型管口的外层砖体受拉应力，d型管口最大拉应力在管口内侧砖体外缘；轴向方向上，a型、b/c/f型和d型管口的砖体大部分受压，但a型管口在接口处外边缘的小范围内出现拉应力，d型管口最大拉应力在管口内侧砖体外缘。工况3下：径向方向上，a型、b/c/f型和d型管口特种耐酸耐温耐压砖的受力形式与最大的拉应力出现位置同工况2类似；环向方向上，a型管口、b/c/f型管口砖体的最大拉应力在工况2的基础上范围扩大，扩散至管口内侧砖体外缘；轴向方向上，3种管口砖体的受力形式和最大拉应力位置同工况2类似。

图3

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图3 a型管口特种耐酸耐温耐压砖在工况1，2和3下的应力分布云图

Fig.3 Stress distribution cloud maps of a-type nozzle special acid-, temperature- and pressure-resistant brick under working condition 1 (a1-a4), 2 (b1-b4) and 3 (c1-c4): (a1-c1) radial stress, (a2-c2) annular stress, (a3-c3) axial stress, (a4-c4) von Mises stress

3.2 接管半径对接管胶泥受力的影响

以接管内径为614 mm的a型管口为研究对象，分析工况1、2、3条件下Asplit HB胶泥的三向应力分布规律，见图4和表3。工况1下：径向方向上，a型、b/c/f型和d型管口Asplit HB胶泥大部分受压，仅在最外层管口接口处的上小范围内出现拉应力，因此并不会影响Asplit HB胶泥的整体性能，最大拉应力分别为12.25、14.86和12.37 MPa。环向方向上，3种类型管口胶泥均为最外层受拉，最大拉应力位置同管口径向方向，数值分别为22.85、18.78和11.56 MPa。轴向方向上，3种类型管口胶泥应力状态和最大拉应力出现位置同径向方向，最大拉应力数值分别为6.76、6.86和1.84 MPa。工况2下：径向方向上，3种管口Asplit HB胶泥均大部分受压，但都在管口处极小部分受拉。a型管口的最大拉应力出现在管口中间层胶泥局部，达到19.21 MPa；b/c/f型管口出现在中间层及最外层局部，达到20.62 MPa；d型管口则出现在最外层胶泥局部，达到20.90 MPa。环向方向上，3种管口胶泥大部分受压，仅在管口最外层中部小范围区域产生拉应力，分别达到14.08、15.68和6.71 MPa。轴向方向上，3种管口的胶泥应力状态与最大应力位置同环向方向。整体来看，Asplit HB胶泥的应力在与相邻结构接触的表面局部区域存在局部超出限值，因为仅是表面而非Asplit HB胶泥整体，因此只会导致超限区域Asplit HB胶泥表皮脱落，并不会影响结构的正常工作。工况3下：径向方向上，3种管口的Asplit HB胶泥受力状态及最大拉应力位置同工况2，最大拉应力分别达到20.68、22.16和18.88 MPa。环向方向上，3种管口的胶泥大部分受压，最大拉应力位置在最外层中部小范围区域，最大拉应力分别达到28.76、22.90和10.16 MPa。轴向方向上，3种管口的胶泥大部分受压，最大拉应力位置均出现在管口接口处上方小范围区域，分别达到19.59、14.02和14.56 MPa。

图4

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图4 a型管口Asplit HB胶泥在工况1，2和3下的应力分布云图

Fig.4 Stress distribution cloud maps of a-type nozzle Asplit HB cement under working condition 1 (a1-a4), 2 (b1-b4) and 3 (c1-c4): (a1-c1) radial stress, (a2-c2) annular stress, (a3-c3) axial stress, (a4-c4) von Mises stress

表3 3种工况下3种类型管口Asplit HB胶泥不同方向应力汇总

Table 3 Summary of the stresses in different directions of three types of Asplit HB cement at the nozzle under three working conditions

Working condition	Nozzle type	Radial stress MPa	Annular stress MPa	Axial stress MPa	Von Mises stress MPa
Working condition I (pressure only)	a-type	12.25	22.85	15.67	17.69
Working condition I (pressure only)	b/c/f-type	14.86	18.78	18.57	21.29
	d-type	12.37	11.56	12.53	14.03
Working condition Ⅱ (temperature only)	a-type	19.21	14.08	18.80	54.02
Working condition Ⅱ (temperature only)	b/c/f-type	20.62	15.68	13.70	58.1
	d-type	20.90	16.71	15.00	36.70
Working condition Ⅲ (pressure / temperature combination)	a-type	20.68	20.76	19.59	45.90
Working condition Ⅲ (pressure / temperature combination)	b/c/f-type	22.16	22.90	14.02	49.36
	d-type	18.88	10.16	14.56	43.35
Limit (MPa)					10

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3.3 接管半径对其它结构受力的影响

以接管内径为614 mm、814 mm、214 mm的a型、b/c/f型和d型管口为研究对象，分析工况3条件下TA2、隔膜、聚四氟乙烯和铅层的三向应力分布规律。表4为3种管口下TA2、隔膜、聚四氟乙烯和铅层各向应力表。

表4 工况3下3种类型管口TA2、隔膜、聚四氟乙烯和铅层各向应力汇总

Table 4 Summary of the stresses in different directions of TA2, diaphragm, Teflon and lead layer of three types of nozzle under working condition 3

Structure type	Nozzle type	Radial stress / MPa	Annular stress / MPa	Axial stress / MPa
TA2	a-type	-199.48-60.25	-235.38-34.83	-238.75-33.77
	b/c/f-type	-205.31-65.87	-231.30-45.70	-236.79-49.91
	d-type	-178.61-68.24	-265.90-45.72	-264.79-34.77
Diaphragm	a-type	-26.42-14.80	-28.88-3.32	-29.59-3.73
	b/c/f-type	-25.65-16.37	-27.36-3.12	-29.54-4.12
	d-type	-24.18-14.87	-24.75 - -1.65	-27.34 - -1.45
PTEF	a-type	-5.68 - -0.41	-7.67 - -0.49	-7.53 - -0.78
	b/c/f-type	-5.06 - -0.39	-6.58 - -0.51	-6.35 - -0.72
	d-type	-6.28 - -1.04	-8.74 - -1.10	-8.49 - -1.29
Lead	a-type	-36.02-13.25	-19.77-36.41	-41.73-0.37
	b/c/f-type	-37.92-26.84	-30.98-60.52	-47.25-15.80
	d-type	-41.37-2.75	-25.21-38.00	-51.51-0.51

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由表4可知，TA2、隔膜、聚四氟乙烯各处拉 (压) 应力均未超出相应材料的抗拉 (压) 强度，而铅层均在三个方向上超出限值。在工况3下，TA2、隔膜和聚四氟乙烯主要受压应力作用，其中，TA2和隔膜径向的最大压应力随着管口半径的增大而增大，而环向方向上则随着管口半径的增大而减小。铅层在径向和轴向方向上受到来自内部结构的挤压，产生较大压应力，随管口半径的增大，最大压应力表现为先增大后减小的趋势，环向方向上，最大压应力和最大拉应力差值相对较小。

4 结论

(1) 在压力荷载作用下，砖体会在管口约束位置小区域出现应力集中，因此产生超限情况，但局部应力集中的情况不会扩散至较大范围，在远端处几乎无影响。因此，不会对结构正常使用造成影响。

(2) 对于不同工况下的特种耐酸耐温耐压砖，其三向最大拉应力主要表现为随着管口半径的增大而增大，这是因为管口半径越大，管内壁受到的总张力越大，从而使管壁单位面积受到的三向拉应力就越大。Asplit HB胶泥在温度荷载发生较大膨胀，增大了其与相邻结构间的挤压应力，从而对环向拉应力起到一定的缓解作用。

(3) 其它结构层较多承受特种耐酸耐温耐压砖和Asplit HB胶泥传递的压应力，不同位置处的结构层在受管口半径的影响表现不同，如TA2随管口半径的增大，其径向最大压应力逐渐增大，而环向和轴向最大压应力逐渐减小。而聚四氟乙烯的三向最大压应力随管口半径的增大而减小。

(4)整体来看，温度效应对各层结构的影响比内压大。虽然大部分工况下的各结构层Von Mises stress值超过了限制，但超限部分多为结构表面或较小的应力集中区域，因此只会导致超限区域的结构表面产生裂纹或局部脱落，并不会影响结构的正常工作。

参考文献

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文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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Zou

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, Wang

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A brief discussion about nonferrous metallurgy autoclave and it’s key auxiliary equipments

[J]. Mining Metall., 2016, 25(6): 60