加氢反应器封头引出管管口载荷引起的局部应力的校核
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封头引出管的结构, 如图 1 所示, 其既不同于圆柱壳上的开口
接管, 也不同于封头上的开口接管, 对此类开口接管的管口载
荷所引起的局部应力如何计算和校核, 国内外标准均无相应的
规定或指定性意见, 研究文献也甚少, 以致该问题一直困扰着
工程设计人员。 笔者根据多年的工程设计经验, 以相关标准、
文献及力学知识为理论依据, 特撰写此文, 以期对此类结构的
checking formulas provided a theoretical reference for the local stress checking of this kind of structure.
Key words: hydrogenation reactor; local stress; nozzle load
荷。
按公式(1) 计算出当量计算压力后, 再按 GB150. 3-2011 [6]
进行法兰强度及刚度的校核。
131
在上面的法兰强度及刚度的校核计算中, 我们只用到了这
F x 、 M x 、 M y 这三个参数, 而另外三个参数 F y 、 F Z 、 M t 对法兰
有何影响呢? F y 、 F Z 、 M t 主要是对法兰小端端部产生剪应力,
Fig. 1 Analysis of structure and nozzle load of outlet pipe
of lower head of hydrogenation reactor
第一作者: 李红云(1968-) , 女, 工学学士, 设备室主任, 高级工程师, 压力容器分析设计审核人, 注册咨询工程师, 主要从事压力容器设计、 审
重点介绍如何校核 A-A 截面、 B-B 截面, 对引出管法兰及封
头开口接管处局部应力也会作提示性的介绍。
2. 1 引出管法兰的校核
引出管法兰的强度、 刚度按 GB150. 3-2011 [6] 进行当量计算
压力的校核。 所谓当量计算压力即是将法兰所受的管口载荷,
如弯矩、 轴向力换算成法兰的当量内压。 如公式(1)所示[5] :
三个坐标轴 上 的 力 平 移 后 大 小 方 向 不 变, 还 是 分 别 为: F x 、
F y 、 F z , 但此时轴向力为 F y 。
2. 2. 2 校核计算
由上述分析可知, A-A 截面即是承受内压、 三向拉力、 扭
矩与弯矩的联合作用。 可按二向平面应力状态求解组合应力进
行校核。
2. 2. 2. 1 轴向组合拉应力的求解
( Wuhan Jinzhong Petrochemical Engineering Co. , Ltd. , Hubei Wuhan 430223, China)
Abstract: Due to the special structure of outlet pipe of upper head or lower head of hydrogenation reactor, there are
Fy
A
式中: A———A-A 截面处横截面积, mm2
(3) 内压产生的轴向拉应力 σ p 为:
p( d i +δ e )
σp =
4δ e
式中: p———计算压力, MPa
d i ———接管内径, mm
δ e ———接管有效厚度, mm
第 49 卷第 13 期
2021 年 7 月
Vol. 49 No. 13
Jul. 2021
广 州 化 工
Guangzhou Chemical Industry
加氢反应器封头引出管管口载荷引起的局部应力的校核
李红云, 陈盛秒
( 武汉金中石化工程有限公司, 湖北 武汉 430223)
摘 要: 加氢反应器上封头或下封头引出管的结构, 因其结构的特殊性, 对此类开口接管的管口载荷所引起的局部应力如
M y ———y 方向的弯矩, N·mm
此处的两个方向 x, y 具有普适含义, 意指某两个弯矩作用
的坐标轴, 而非实指 x, y 两个坐标轴。
(3) 上面所述 Mx 、 My 这指的是弯矩, 需特别注意绕自身轴
旋转的力矩是扭矩(Mt ), 而绕非自身轴旋转的力矩则是弯矩。
(4) p 为计算压力, 等于设计内压加液柱静压力等附加载
no corresponding domestic and foreign standards on how to calculate the local stress caused by the nozzle load of such open
nozzle. The method of combining theoretical formula derivation with engineering design was used to analyze and deduce
τ2 =
(4)
(5)
W t ———抗扭截面系数, mm3
A———法兰小端端部横截面积, mm2
F y ———坐标轴 y 方向上的力, N
F z ———坐标轴 z 方向上的力, N
校核条件为:
τ e ≤[ τ]
式中: [ τ] ———许用剪应力, MPa
取材料许用拉应力[ σ] 的 0. 6 倍
2. 2 A -A 截面强度校核
批及研究开发工作, 已发表论文多篇, 获 7 项国家专利授权。
第 49 卷第 13 期
李红云, 等: 加氢反应器封头引出管管口载荷引起的局部应力的校核
经力学分析, 可知:
首先, 很明显, 作用在 0-0 处法兰面上的管口载荷对 0 -0
处的法兰及配对法兰、 紧固件是有影响的。
其次, 该管口载荷对引出管 B-B、 A-A 截面的应力是有影
the stress produced by the nozzle load on each part of the outlet pipe in detail, and the calculation and checking formula
of the stress at each part was given, and it was illustrated with an engineering design example. The calculation and
响的, 但必须注意到该管口载荷与作用在 A-A 处、 B-B 处的
管口载荷是不一样的, 不能简单地将 0-0 处的管口载荷拿来直
接作为 A-A 处或 B-B 处的校核条件。
最后, A-A 处的管口载荷对下封头会产生局部应力。
2 校核内容及方法
由上述对反应器引出管的结构分析可知, 对此类结构, 应
校核以下内容:
16M 4F
P e = 3 + 2 +p
(1)
πD G πD G
式中: p———计算压力, MPa
p e ———当量计算压力, MPa
D G ———垫片压紧力作用中心圆直径, mm
F———轴向力, N; 此处为 F x
M ———外力弯矩的合弯矩, N·mm
在计算 P e 时, 须注意以下几点:
(1) 轴向力 F 应考虑方向性, 法兰承受拉伸作用时, 取正
何计算, 国内外标准均无相应的规定。 采用理论公式推导和工程设计相结合的方法, 对该管口载荷对引出管各部位产生的应力进
行了详细的分析和推导, 给出了各部位应力的计算和校核公式, 并采用工程设计实例进行了说明。 文中所给的计算和校核公式为
此类结构的局部应力校核提供了一定的理论参考依据。
关键词: 加氢反应器; 局部应力; 管口载荷
(1) 引出管法兰的强度及刚度;
(2) A-A 截面处的应力;
(3) B-B 截面处的应力;
(4) 封头开口接管处局部应力。
对问题(1) 和 ( 4 ) 可 按 SH / T3074 - 2018 [5] 和 HG / T20582 2020 [3] 提供的方法进行校核, 而如何校核 A-A 截面、 B-B 截
F y 、 F Z 由其合力产生剪应力, M t 通过扭矩产生剪应力, 然后
由校核叠加的剪应力。 具体为:
M
τ1 = t
(3)
Wt
F y 2 +F Z 2
A
τ e = τ1 +τ2
式中: τ1 ———M t 扭矩产生剪应力, MPa
τ2 ———F y 、 F Z 其合力产生剪应力, MPa
τ e ———叠加的剪应力, MPa
加氢反应器作为炼油工业加氢装置的核心设备, 其大型
化、 高参数化 的 倾 向 日 趋 显 著 [1] 。 作 为 高 温、 高 压、 临 氢 设
备, 加氢反应器的操作条件十分苛刻, 由于压力高、 温度高,
外部压力管道在与设备的开口接管相连接时, 因热应力和管道
推力的作业, 开口接管会承受着较大的管口载荷( 力、 弯矩、
扭矩) , 这些管口载荷对设备会产生较大的局部应力, 设计上,
要对各管口载荷进行逐一校核, 确保设备的本质安全。 对圆柱
壳上开口接管的局部应力分析, 可采用 WRC297 [2-3] 及 CSCBPVTD001-2013 [4] 进行校核; 对封头上开口接管的局部应力分析,
可采用 WRC107 [2-3] 进行校核。 而对于加氢反应器上封头或下
工程设计有一定的参考, 借鉴作用。
1 结构与受力分析
图 1 所示为某加氢反应器下封头引出管结构。 按管道专业
提供的管口载荷资料, 管口载荷是作用在 0 -0 处的法兰面上,
那么此管口载荷对哪些部位产生了局部应力或影响呢。
图 1 加氢反应器下封头引出管结构及管口载荷分析
轴向组合拉应力主要包含三部分: 合弯矩产生的弯曲应
力、 轴向力产生的拉应力、 内压产生的拉应力。
(1) 合弯矩产生的弯曲应力 σ w 为:
M2X ′ +M2Z ′
W
式中: W———抗弯截面系数, mm3
(2) 轴向力பைடு நூலகம்生的轴向拉应力 σ F 为:
σw =
(9)
132
2021 年 7 月
广 州 化 工
值; 法兰承受压缩作用时, 取负值。
(2) M 为外力弯矩的合弯矩, 而非三个方向力矩的合力
矩。 我们知道, 法兰三个方向的力矩中有两个是弯矩, 另一个
是扭矩, 而对法兰强度和泄漏起关键作用的是两个弯矩, 故此
处 M 取为两个方向上弯矩的合力矩, 即:
M = M x 2 +M y 2
(2)
式中: M x ———x 方向的弯矩, N·mm
2. 2. 1 力学模型
按材料力学静力学知识 [7-8] , 对引出管建立如图 1 所示的
坐标系, 通过刚体上力的平移定理, 将原始位置 o-o 面上的力
及力矩平移到所需校核的平面, 如 A-A 截面。 须注意的是, 力
平移的同时, 力的大小及方向不变, 但需附加一个力矩, 这个
力矩等于原来的力( 需考虑方向性) 对新的作用面的力矩。 另
外, 力矩在平移过程中, 力矩的作用效果可能会发生变化, 如
弯矩变扭矩, 扭矩变弯矩。 对 A-A 截面( 先对 A-A 截面建立局
部坐标系 X ′ Y ′ Z ′ ) , 则力及力矩平移后有:
M X ′ = M x -F z S
(6)
M Y ′ = M y -F Z L
(7)
M Z ′ = M Z +F y L+F x S
(8)
式中: M X ′ ———坐标轴 X ′ 上的力矩, N·mm
M Y ′ ———坐标轴 Y ′ 上的力矩, N·mm
M Z ′ ———坐标轴 Z ′ 上的力矩, N·mm
经过力的平移定理后, 可以看到三个方向上的力虽然没有
变化, 但是力矩明显发生了改变, 并且力矩的性质也发生了改
变, 此处 M Y ′ 相对于 A-A 截面为扭矩, 而 M X ′ 、 M Z ′ 为弯矩。 而
面呢? 国内外标准均无相应的阐述, 许多工程设计人员不知如
何校核, 以致很多此类结构都没有校核 A-A 截面、 B-B 截面,
仅进行问题(1) 、 (4) 的校核。 而在校核问题(1) 时, 对法兰小
端处的剪切力缺乏考虑; 在校核问题(4) 时, 管口载荷直接使
用 0-0 处法兰面上的管口载荷, 这些都是不对的。 对此, 下面
中图分类号: TQ050. 2
文献标志码: A
文章编号: 1001-9677(2021)013-0130-04
Checking of Local Stress Caused by Load on Outlet of Head
of Hydrogenation Reactor
LI Hong -yun, CHEN Sheng -miao
接管, 也不同于封头上的开口接管, 对此类开口接管的管口载
荷所引起的局部应力如何计算和校核, 国内外标准均无相应的
规定或指定性意见, 研究文献也甚少, 以致该问题一直困扰着
工程设计人员。 笔者根据多年的工程设计经验, 以相关标准、
文献及力学知识为理论依据, 特撰写此文, 以期对此类结构的
checking formulas provided a theoretical reference for the local stress checking of this kind of structure.
Key words: hydrogenation reactor; local stress; nozzle load
荷。
按公式(1) 计算出当量计算压力后, 再按 GB150. 3-2011 [6]
进行法兰强度及刚度的校核。
131
在上面的法兰强度及刚度的校核计算中, 我们只用到了这
F x 、 M x 、 M y 这三个参数, 而另外三个参数 F y 、 F Z 、 M t 对法兰
有何影响呢? F y 、 F Z 、 M t 主要是对法兰小端端部产生剪应力,
Fig. 1 Analysis of structure and nozzle load of outlet pipe
of lower head of hydrogenation reactor
第一作者: 李红云(1968-) , 女, 工学学士, 设备室主任, 高级工程师, 压力容器分析设计审核人, 注册咨询工程师, 主要从事压力容器设计、 审
重点介绍如何校核 A-A 截面、 B-B 截面, 对引出管法兰及封
头开口接管处局部应力也会作提示性的介绍。
2. 1 引出管法兰的校核
引出管法兰的强度、 刚度按 GB150. 3-2011 [6] 进行当量计算
压力的校核。 所谓当量计算压力即是将法兰所受的管口载荷,
如弯矩、 轴向力换算成法兰的当量内压。 如公式(1)所示[5] :
三个坐标轴 上 的 力 平 移 后 大 小 方 向 不 变, 还 是 分 别 为: F x 、
F y 、 F z , 但此时轴向力为 F y 。
2. 2. 2 校核计算
由上述分析可知, A-A 截面即是承受内压、 三向拉力、 扭
矩与弯矩的联合作用。 可按二向平面应力状态求解组合应力进
行校核。
2. 2. 2. 1 轴向组合拉应力的求解
( Wuhan Jinzhong Petrochemical Engineering Co. , Ltd. , Hubei Wuhan 430223, China)
Abstract: Due to the special structure of outlet pipe of upper head or lower head of hydrogenation reactor, there are
Fy
A
式中: A———A-A 截面处横截面积, mm2
(3) 内压产生的轴向拉应力 σ p 为:
p( d i +δ e )
σp =
4δ e
式中: p———计算压力, MPa
d i ———接管内径, mm
δ e ———接管有效厚度, mm
第 49 卷第 13 期
2021 年 7 月
Vol. 49 No. 13
Jul. 2021
广 州 化 工
Guangzhou Chemical Industry
加氢反应器封头引出管管口载荷引起的局部应力的校核
李红云, 陈盛秒
( 武汉金中石化工程有限公司, 湖北 武汉 430223)
摘 要: 加氢反应器上封头或下封头引出管的结构, 因其结构的特殊性, 对此类开口接管的管口载荷所引起的局部应力如
M y ———y 方向的弯矩, N·mm
此处的两个方向 x, y 具有普适含义, 意指某两个弯矩作用
的坐标轴, 而非实指 x, y 两个坐标轴。
(3) 上面所述 Mx 、 My 这指的是弯矩, 需特别注意绕自身轴
旋转的力矩是扭矩(Mt ), 而绕非自身轴旋转的力矩则是弯矩。
(4) p 为计算压力, 等于设计内压加液柱静压力等附加载
no corresponding domestic and foreign standards on how to calculate the local stress caused by the nozzle load of such open
nozzle. The method of combining theoretical formula derivation with engineering design was used to analyze and deduce
τ2 =
(4)
(5)
W t ———抗扭截面系数, mm3
A———法兰小端端部横截面积, mm2
F y ———坐标轴 y 方向上的力, N
F z ———坐标轴 z 方向上的力, N
校核条件为:
τ e ≤[ τ]
式中: [ τ] ———许用剪应力, MPa
取材料许用拉应力[ σ] 的 0. 6 倍
2. 2 A -A 截面强度校核
批及研究开发工作, 已发表论文多篇, 获 7 项国家专利授权。
第 49 卷第 13 期
李红云, 等: 加氢反应器封头引出管管口载荷引起的局部应力的校核
经力学分析, 可知:
首先, 很明显, 作用在 0-0 处法兰面上的管口载荷对 0 -0
处的法兰及配对法兰、 紧固件是有影响的。
其次, 该管口载荷对引出管 B-B、 A-A 截面的应力是有影
the stress produced by the nozzle load on each part of the outlet pipe in detail, and the calculation and checking formula
of the stress at each part was given, and it was illustrated with an engineering design example. The calculation and
响的, 但必须注意到该管口载荷与作用在 A-A 处、 B-B 处的
管口载荷是不一样的, 不能简单地将 0-0 处的管口载荷拿来直
接作为 A-A 处或 B-B 处的校核条件。
最后, A-A 处的管口载荷对下封头会产生局部应力。
2 校核内容及方法
由上述对反应器引出管的结构分析可知, 对此类结构, 应
校核以下内容:
16M 4F
P e = 3 + 2 +p
(1)
πD G πD G
式中: p———计算压力, MPa
p e ———当量计算压力, MPa
D G ———垫片压紧力作用中心圆直径, mm
F———轴向力, N; 此处为 F x
M ———外力弯矩的合弯矩, N·mm
在计算 P e 时, 须注意以下几点:
(1) 轴向力 F 应考虑方向性, 法兰承受拉伸作用时, 取正
何计算, 国内外标准均无相应的规定。 采用理论公式推导和工程设计相结合的方法, 对该管口载荷对引出管各部位产生的应力进
行了详细的分析和推导, 给出了各部位应力的计算和校核公式, 并采用工程设计实例进行了说明。 文中所给的计算和校核公式为
此类结构的局部应力校核提供了一定的理论参考依据。
关键词: 加氢反应器; 局部应力; 管口载荷
(1) 引出管法兰的强度及刚度;
(2) A-A 截面处的应力;
(3) B-B 截面处的应力;
(4) 封头开口接管处局部应力。
对问题(1) 和 ( 4 ) 可 按 SH / T3074 - 2018 [5] 和 HG / T20582 2020 [3] 提供的方法进行校核, 而如何校核 A-A 截面、 B-B 截
F y 、 F Z 由其合力产生剪应力, M t 通过扭矩产生剪应力, 然后
由校核叠加的剪应力。 具体为:
M
τ1 = t
(3)
Wt
F y 2 +F Z 2
A
τ e = τ1 +τ2
式中: τ1 ———M t 扭矩产生剪应力, MPa
τ2 ———F y 、 F Z 其合力产生剪应力, MPa
τ e ———叠加的剪应力, MPa
加氢反应器作为炼油工业加氢装置的核心设备, 其大型
化、 高参数化 的 倾 向 日 趋 显 著 [1] 。 作 为 高 温、 高 压、 临 氢 设
备, 加氢反应器的操作条件十分苛刻, 由于压力高、 温度高,
外部压力管道在与设备的开口接管相连接时, 因热应力和管道
推力的作业, 开口接管会承受着较大的管口载荷( 力、 弯矩、
扭矩) , 这些管口载荷对设备会产生较大的局部应力, 设计上,
要对各管口载荷进行逐一校核, 确保设备的本质安全。 对圆柱
壳上开口接管的局部应力分析, 可采用 WRC297 [2-3] 及 CSCBPVTD001-2013 [4] 进行校核; 对封头上开口接管的局部应力分析,
可采用 WRC107 [2-3] 进行校核。 而对于加氢反应器上封头或下
工程设计有一定的参考, 借鉴作用。
1 结构与受力分析
图 1 所示为某加氢反应器下封头引出管结构。 按管道专业
提供的管口载荷资料, 管口载荷是作用在 0 -0 处的法兰面上,
那么此管口载荷对哪些部位产生了局部应力或影响呢。
图 1 加氢反应器下封头引出管结构及管口载荷分析
轴向组合拉应力主要包含三部分: 合弯矩产生的弯曲应
力、 轴向力产生的拉应力、 内压产生的拉应力。
(1) 合弯矩产生的弯曲应力 σ w 为:
M2X ′ +M2Z ′
W
式中: W———抗弯截面系数, mm3
(2) 轴向力பைடு நூலகம்生的轴向拉应力 σ F 为:
σw =
(9)
132
2021 年 7 月
广 州 化 工
值; 法兰承受压缩作用时, 取负值。
(2) M 为外力弯矩的合弯矩, 而非三个方向力矩的合力
矩。 我们知道, 法兰三个方向的力矩中有两个是弯矩, 另一个
是扭矩, 而对法兰强度和泄漏起关键作用的是两个弯矩, 故此
处 M 取为两个方向上弯矩的合力矩, 即:
M = M x 2 +M y 2
(2)
式中: M x ———x 方向的弯矩, N·mm
2. 2. 1 力学模型
按材料力学静力学知识 [7-8] , 对引出管建立如图 1 所示的
坐标系, 通过刚体上力的平移定理, 将原始位置 o-o 面上的力
及力矩平移到所需校核的平面, 如 A-A 截面。 须注意的是, 力
平移的同时, 力的大小及方向不变, 但需附加一个力矩, 这个
力矩等于原来的力( 需考虑方向性) 对新的作用面的力矩。 另
外, 力矩在平移过程中, 力矩的作用效果可能会发生变化, 如
弯矩变扭矩, 扭矩变弯矩。 对 A-A 截面( 先对 A-A 截面建立局
部坐标系 X ′ Y ′ Z ′ ) , 则力及力矩平移后有:
M X ′ = M x -F z S
(6)
M Y ′ = M y -F Z L
(7)
M Z ′ = M Z +F y L+F x S
(8)
式中: M X ′ ———坐标轴 X ′ 上的力矩, N·mm
M Y ′ ———坐标轴 Y ′ 上的力矩, N·mm
M Z ′ ———坐标轴 Z ′ 上的力矩, N·mm
经过力的平移定理后, 可以看到三个方向上的力虽然没有
变化, 但是力矩明显发生了改变, 并且力矩的性质也发生了改
变, 此处 M Y ′ 相对于 A-A 截面为扭矩, 而 M X ′ 、 M Z ′ 为弯矩。 而
面呢? 国内外标准均无相应的阐述, 许多工程设计人员不知如
何校核, 以致很多此类结构都没有校核 A-A 截面、 B-B 截面,
仅进行问题(1) 、 (4) 的校核。 而在校核问题(1) 时, 对法兰小
端处的剪切力缺乏考虑; 在校核问题(4) 时, 管口载荷直接使
用 0-0 处法兰面上的管口载荷, 这些都是不对的。 对此, 下面
中图分类号: TQ050. 2
文献标志码: A
文章编号: 1001-9677(2021)013-0130-04
Checking of Local Stress Caused by Load on Outlet of Head
of Hydrogenation Reactor
LI Hong -yun, CHEN Sheng -miao