甲醇合成塔管板的有限元轻量化分析

第７ 期
于晓东等 甲醇合 成塔 管板 的有限元轻量化分析
表Ｉ 甲醇合成塔设 计参 数 参 数名 称 管程压力／ ｐ Ｍａ 参数数值 １７ ．
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。 ９一
管 板 外 的 中心 管 ，但 考 虑 了 中心 管 的壁 厚对 管板 的加 强 作 用 ， 即包 括 了管 板 内 的 中心 管 ， 并且 将 等 效压 力施 加在 该 部分 中心 管 的断面 上 。 （ ）管板 与 简体 过渡 圆角 ３ 分 析 模 型 中 考 虑 了管 板 与 筒 体 以及 管 板 加 强 部 分 的角焊 缝【。 ６ ］ （ ）对称 简化 ４ 考 虑 到 管板 结 构 、 载 荷 以及 约 束 的对 称 性 ， 取管 板和 简 体 的１１结构 建立 有 限元分 析模 型 。 ／２ （ ）筒体 的边 缘等 效 长度 ５ 根 据边 缘效 应 的影 响长 度公 式 ：
为３ ５ ５ ｍｍ； 管 板 中心 管 尺 寸 １ ９×１ ｍｍ； 换 ５ ８ 热 套 管 尺 寸 为 ３ ２×２５ ．ｍｍ，换 热 套 管 管 孔 尺 寸 ３ ．５ ２２ ｍｍ；加触 媒 管尺 寸 ４ ２×４ ｍｍ，加 触 媒 管管孔 尺 寸 ４ ｍｍ；管板 中心加 强 处 的倒 圆角 尺 ３ 寸为Ｒ１ ｍｍ，管 板 与筒 体 相 连 处 的倒 圆 角尺 寸 为 ５ Ｒ３ ｍｍ ，管程 简 体 壁 厚 为５ ｍｍ （ 除 腐 蚀 余 量 ０ ２ 去 ３ ｍｍ）， 壳程简 体 壁厚 为７ ｍｍ （ 考虑 堆 焊层 厚 ２ 不 度３ ｍｍ）。换热 套 管３ ７ 根 ，加触 媒 管 １ ６ ，均 ６０ ５根 匀 分布 在管 板上 。
甲醇 合 成 塔 结 构 如 图 １ 示 ， 设 计 参 数 见 表 所 １ ，管板 的几何 结构如 图２ 所示 。
随 着 石 化 工 业 生 产 规 模 的 扩 大 ，石 化 设 备 亦 向着 大 型 化 、 高效 化 方 向发 展 ，大 型 管板 的使 用 越 来 越 多 ， 在 国 内，若 按 ＧＢ１ １ 计 规 范进 行 ５设 管 板 设 计 ， 管 板 厚度 往 往 很 厚 、非 常 保 守 。事 实 上 ， 尽 管 换 热 器 有 各 种 各 样 的 失 效 形 式 ， 但 很 少 有 因管 板 强 度 不足 而 发 生破 坏 的情 况 。另 外 ， 当管 程 和 壳 程 的温 度 差 较 大 时 ，管 板 厚 度 大 ，反 而 不 利 于 降 低 温 差 应 力 。 当然 ，管 板 厚 有 助 于 提 高管 板 的刚 度 ，保 证其 与法 兰 等 连 接 处 的密 封 性 能 。计 算 机 技 术 的发 展 使 有 限元 数 值 分 析 方 法 在 管板 研 究 及 设 计 上 的应 用 成 为 可 能 。 国＃ Ｎ 用 有 ｔ － 限元 分 析 法 设 计 和 评 定 已经 得 到 了广 泛 的应 用 和 取得 了 良好 的效 果口。该方 法 的最 大优 点是 可 以比 ］ 较 真 实 地 模 拟 管 板 复 杂 的 实 际 结构 、载 荷 与 边 界 条件 ，因此 ，计 算 出来 的管板 厚度 应 该更 精确 ， 】 同 时 ，采 用 有 限元 法 还 可 以更 合 理地 设 计 管 板 结 构 。本 文 在 有 限元 应 力 分 析 基础 上 ，依 据Ｊ ４ ３ Ｂ ７２ 分 析 设计 标 准 ，对 甲醇 合 成 塔 管 板进 行 结 构 改进 设计 ，以达到节 省材 料 的 目的 。
结构 。分析 结果表 明 ，两种结构 均满足 强度要 求，但 改进后的结构更 能节 约材料 、降低 制造 成本。 同时还说 明，应 用有 限
元分析技术并依据压力容器分析设计标准可以达到对 管板 结构进行 轻量化设计 的 目的。
［ 关键词］合 成塔 管板 ；有 限元 分析 ；结构 改进 ；轻量化设计
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２ 化 设 石 和 工 备 ０ 油
１ 年第１ 卷 １ ４
甲醇合成塔管板的有限元轻量化分析
于晓东，钱 才富，于洪 杰，徐鸿
（ 北京化工大学机 电工程学院 ， 北京 １０ ２ ） ０ ９ ０
［ 摘 要］ 本文应用有限元分析技术 ，对多种载荷 工况下的 甲醇合 成塔 管板进行应 力分析 ，同时按照 Ｊ４ ３— ９ ５ 钢制压 Ｂ ７ ２ １ ９ 力容 器一分析设计 标准 进行强度校核 。比较 了两种管板结构 ，一是原设计结构 ，另一是 参照有限元分析结果提 出的改进
管 板 是 管 壳 式换 热 器 的主 要 部 件 之 一 。特 别 是在 大 直 径 和 高 压 力 场 合 下 ，管板 的 结构 形 式 以 及 安全 设 计 是 整 台设 备 安 全 、 高 效运 行 的 决定 因 素 。正确 地 对 管 板 进 行 受 力 分 析 ，合 理地 确 定 管 板 的 形式 及 厚度 ，对 保 证 设 备 安 全运 转 、 降低 制 造成 本 、节约 原材 料等 ，起着 关键 性 的作用 ｆ】 ｌ。 Ｉ ２
ｌ甲醇合成塔管板的设计参数
甲醇 合 成 塔 为 立 式 列 管 固定床 ， 管 板 直径 为 ３ ５ ｍｍ， 厚度 为３ ５ ５０ １ ｍｍ， 管板 中心 加 强 厚度
பைடு நூலகம்
图１ 甲醇合成塔结构图
作者 简 介 ：于晓东 （ ９ ４ １８ 一） ，男 ，山东威海人 ，硕士研究
生 ，北京化工大学Ｃ ｑ心 ，研究方向为压力容器的有限元分析。 ＡＥ￣
世 界 各 国都对 管板 的 设计 制 定 了极 为严 格 的 安全 评 定 标 准 ［ ］ 目前 国 际通 用 的有 美 国Ｔ ＭＡ ２。 Ｅ 标准 和 ＡＳ 规 范 、 日本 工 业 标准 （Ｉ ）、英 国 ＭＥ ＪＳ ＢＳ 标准 、德 国ＡＤ规 范 以及 我 国 的ＧＢ １ １ 准 。 ．５ 标