关于立式石化设备裙座热分析边界条件的讨论.pdf

2024年 第2期（总218期）CFHI设计与计算一重技术石化行业广泛使用的立式压力容器中不乏承受高温的重要设备，如炼油装置中的加氢反应器，焦化装置中的焦炭塔等，这些设备的工作条件复杂，温度载荷高，而且像焦炭塔的温度载荷还随时间变化，这些设备通常采用裙式支撑。由于裙座与基础连接处温度较低，裙座轴向温度变化比较剧烈，裙座与底封头的热膨胀变形相互约束，在裙座与筒体连接处产生较大的热应力。为避免裙座与设备的相连焊缝出现较大热应力，通常需要降低焊缝附近的温度梯度，工程中常见的方法是在该处设置热箱结构（见图1）。塔式容器（NB/T 47041-2014）1第 6.5.3 节提出“当塔壳下封头的设计温度400 时，在裙座上部靠近封头处应设置隔气圈。”石油化工塔器设计规范（SH/T 3098-2011）2中 7.3.8节将温度上限定为350，规范没有给出该温度下限的确定依据，但给出了设计参考。针对类似加氢反应器和焦炭塔等高温设备，通常采用有限元方法对裙座和筒体连接处进行热-机械耦合分析，并根据钢制压力容器分析设计标准（JB 4732-1995）3相关条例进行评定。前人对裙座处的热-机械耦合分析的研究重点在于热-1.中国石化工程建设有限公司高级工程师，北京10010110.3969/j.issn.1673-3355.2024.02.005关于立式石化设备裙座热分析边界条件的讨论李宇1摘要：以某石化设备为例，详细介绍裙座处热分析的真实边界条件，重点介绍热箱处热辐射的计算方法，对比真实边界条件模型与工程简化模型的热分析结果，证明工程中合理简化是可行的，建议采用真实边界条件以获得更准确的结果。关键词：热边界；等效对流传热系数；热辐射中图分类号：TE65;TQ053.2文献标识码：B文章编号：1673-3355（2024）02-0005-04Discussion on Boundary Conditions for Thermal Analysis of the Skirt of Vertical PetrochemicalEquipmentLi YuAbstract:This paper takes a certain petrochemical equipment as example to introduce the real boundary conditions forthermal analysis of the skirt in detail,while emphasizing on calculation method of thermal radiation at the hot box.Bycomparing the thermal analysis results of the real boundary condition model and the simplified engineering model,it isproved that reasonable simplification is feasible during engineering work,and adoption of real boundary conditions isrecommended to obtain more accurate results.Key words:Thermal boundary;equivalent convective heat transfer coefficient;thermal radiation1热箱；2裙座与基础连接处图1立式设备裙座支撑图14CFHI2024年 第2期（总218期）设计与计算CFHI TECHNOLOGY机械的耦合分析，施加边界条件，以及评定计算结果48。在热分析中，前人大多建立筒体、裙座、保温层和防火层的模型，将筒体内壁，保温层和防火层外壁，以及热箱处的传热边界条件考虑为对流传热，确定对流传热系数，根据热-机耦合分析结果，提出设计建议。可以看出，裙座热箱处的热-机械耦合分析虽已是成熟工程计算方法，但由于热箱温度边界条件复杂，所以热分析的重点和难点在于确定温度边界条件。本文在前人研究基础上采用ANSYS Workbench进一步探讨高温设备裙座热分析边界条件。1传热的三种方式本文模型热分析的边界条件涉及三种传热形式：传导、对流和辐射9。1.1热传导当一个物体内部或连续物体之间存在温度梯度，能量由高温区向低温区转移，即热传导。傅立叶定律给出热传导计算公式。q=-kATx（1）式 中：q 热 流 量（W）；k 导 热 系 数（W/(m)）；A传热面积（m2）；Tx热流方向上的温度梯度（/m）。裙座与筒体封头模型中，筒体封头金属内部及保温层、防火层内部传热都属于热传导。相关导热系数可以从相关著作查取。1.2热对流对流传热采用牛顿冷却定律计算：q=A(Tw-T)（2）式中：对流传热系数（W/(m2)）；Tw固体壁面温度（）；T流体温度（）。在裙座与筒体封头模型中，筒体封头与介质接触，保温层和防火层与空气接触都属于受迫对流，对流传热系数参考相关文献中相似的边界条件。热箱处的空气可以看作静止状态，为自然对流，对流系数很低，可以忽略7。1.3热辐射传导和对流都与介质有关，而辐射传热是高温物体产生电磁波向外发射能量。物体之间的辐射传热可以采用斯蒂藩-玻耳兹曼定律计算：q=FA(T14-T24)（3）式中：辐射率；F形状系数的函数；斯蒂藩-玻耳兹曼常数，5.6710-8W/(m2K4)；T1、T2发生辐射传热的两个物体的温度，（K）。热箱主要为热辐射，金属壁面之间的热量以电磁波传播。本文模型中，在操作温度下热箱金属壁面辐射率取0.69。形状系数反映离开一个表面的总能量中到达另一个表面的能量所占比例，在有限元软件中，程序可以自动计算该值。从式（3）可以看出，热辐射的热流量与温度成四次方关系，是非线性问题。本文针对具体裙座结构，采用实际热边界条件进行热分析。2裙座处热分析计算模型本文参考文献4中的模型，具体尺寸和热边界条件参考该文献数据（见表13）。保温层厚度140 mm，防火层厚度 30 mm。本文主要介绍热边界条件，重在介绍方法，其余尺寸不做详细说明。筒体和封头材料为 15CrMoR，裙座和隔气圈材料为 Q235B。热分析模型包括筒体、锥形封头、裙座、隔气圈及保温层和防火层（见图2），采用8节点轴对称单元PLANE77划分网格（见图3）。温度()020100200300400500弹性模量E(GPa)207206203198190180165导热系数k(W/(m)35.5036.1736.8637.2036.7235.4334.00线膨胀系数（10-6mm/(mm)）10.7610.9011.5312.2512.9013.5814.22表面辐射率（平均值）0.69温度()020100200300400弹性模量E(GPa)193192191186179180导热系数k(W/(m)62.0058.0152.2237.2048.6044.60线膨胀系数（10-6mm/(mm)）10.7610.9011.5312.2512.9013.58表面辐射率（平均值）0.69表115CrMoR的材料属性表2Q235B的材料属性温度（）0500导热系数k(W/(m)（平均值）0.18表3保温材料和防火材料的材料属性152024年 第2期（总218期）CFHI设计与计算一重技术该模型边界条件有5个，边界A是操作介质与筒体和封头内壁面的对流换热边界，边界B是封头和热箱保温层外表面和空气之间对流换热边界，边界C是防火层外表面与空气对流传热边界，边界D是筒体保温层外表面与空气对流换热边界，边界E是热箱内壁面辐射传热边界（见图4，表4）。在热箱内壁面设置辐射边界，由于热箱处可以看做封闭系统，所以不必设置环境温度，认为热箱处内壁面的热量在壁面之间传递，没有散失到环境中。ANSYS Workbench将需要设置的内容集成在软件中，用户只需指定辐射表面和辐射率，以及指定系统是封闭或者开放（需指定环境温度）。而文献7和8中热分析是在ANSYS经典界面下完成的，辐射计算的设置更复杂，但两种界面计算方法的本质相同。图2热分析采用的几何模型图3热分析采用的网格模型1保温层；2热箱；3防火层边界ABCDE位置筒体和封头内壁面封头和热箱保温层外表面防火层外表面筒体保温层外表面热箱内壁面环境温度（）5005.25.25.2-对流换热系数（W/(m2)）1 1801.08181.08-辐射率-0.69图4热边界条件表4模型热边界相关参数3计算结果按照真实情况施加边界条件，沿筒体和裙座外壁面取得一条路径PATH，以锥形封头与筒体连接处过渡圆弧为起点，经过计算得到模型的温度分布（见图5、图6）。16CFHI2024年 第2期（总218期）设计与计算CFHI TECHNOLOGY4与实际热箱分析结果对比实际工程中，为了提高计算效率，通常会简化边界条件。一般将BE 4种边界简化为对流传热边界，并给出等效对流传热系数。4.1对流传热+热传导简化为对流传热对于 BD边界，空气通过对流传热与保温层或防火层传热，保温层或防火层自身发生热传导，最后与筒体和封头壁面发生热传导。实际工程中，通常不建立保温层和防火层的模型，将其简化为空气与筒体和封头外侧壁面对流传热。传热学9给出等效对流传热系数的计算公式：=111+k（4）式中：总对流传热系数（W/(m2）；1空气与保温层或防火层之间的对流传热系数（W/(m2）；保温层或防火层厚度（m）；k保温层或防火层的导热系数（W/(m)）。B和D边界采用式（4）计算得到等效对流传热系数0.58 W/(m2），C边界采用式（4）计算得到的等效对流传热系数4.5 W/(m2）。4.2辐射传热简化为对流传热根据文献4中给出热箱处的等效对流传热系数，确定各处热分析边界条件（见表5，图7）。4.3热分析结果将真实模型与简化模型得到温度对比（见图8）。图5温度分布示意图图6沿筒体和裙座外壁面温度变化示意图图7简化后的边界条件示意图图8真实热边界和简化热边界对应的PATH上的温度分布表5模型热边界相关参数边界ABCDE位置筒体和封头内壁面封头外表面裙座表面筒体外表面热箱壁面环境温度（）5005.25.25.2483对流换热系数（W/(m2)）1 1800.584.50.5889（下转第13页）17CFHI2024年 第2期（总218期）设计与计算CFHI TECHNOLOGY模具几何中心与受力中心原则上应重合或接近，满足吊具天车的偏载需求，避免起吊过程中吊具偏斜，无法实现吊具天车起模情况。（5）电气接口模具编号、行程等参数一般通过46针哈丁快速接头与压力机进行信号传输。采用二进制对模具参数进行编码，如模具ID、工序号、传感器等，接头连接后自动实现与压力机之间的模具参数传递。（6）模具设计节拍要求最大生产节拍是模具设计的重要参数，可以根据模具三维模型和压力机动态曲线，在保证不干涉前提下，模拟实际生产中的最大生产节拍。伺服压力机可以通过编程实现压力机滑块位移-时间曲线的柔性控制，使压力机滑块运动独立于设定的生产行程次数。因此，生产节拍模拟主要针对伺服压力机。笔者将冲压零件模具的三维数模、板料数据、端拾器数模导入工程模拟软件（见图6），完成模具、压力机和自动化装置冲压成形过程的模拟。检查在设定节拍下，模具部件是否与机械手存在干涉,根据模拟结果优化模具结构，保证模具和冲压设备达到最佳生产状态。3结语（1）本文介绍三动拉延模具的结构特点及典型行李箱内板三动拉延模具的工作原理。（2）本文指出行李箱内板三动拉延模具设计与压力机的设计要点，模具尺寸、行程、重量与压力机滑块、台面、顶杆、力的关系，上压边圈驱动氮气缸选择与压力机的关系，以及模具设计与压机理论节拍的关系。参考文献 1 刘佳一.三动拉延模结构特点及调试国产J.锻造与冲压，2021,43（3）：31-37 2 王恒.汽车覆盖件拉伸模的设计现状及发展方向J.电加工与模具,2001,45(5)12-15 3 邵阳.尾门内板三动拉延冲压工艺研究J.锻造与冲压,2016,40(5):47-49.收稿日期：2023-11-22图6自动化冲压过程节拍模拟（上接第17页）可以看出，采用简化边界条件的计算结果与真实热边界条件计算结果比较接近，当PATH大于800 mm后，简化边界条件计算得到的温度梯度更大，得到的结果更保守，在工程上是允许的。5结语本文对工程中筒体+锥形封头与裙座连接结构进行热分析，详细介绍包括辐射传热的三种传热方式，以及各处边界条件施加方法。本文通过具体实例介绍裙座热分析真实边界条件，重点介绍热箱处辐射传热计算方法。结果表明，施加真实边界条件与工程简化模型的计算结果相差不大，说明在工程应用中，将裙座各处热分析边界简化为对流边界，同时采用合理的等效对流传热系数是可行的。随着计算机性能的提高和辐射传热理论在工程应用的深入，笔者建议在裙座处热分析时采用真实边界条件，以获得更准确的结果。参考文献 1 NB/T47041-2014 塔式容器S.2 SH/T3098-2011石油化工塔器设计规范S.3 JB4732-1995钢制压力容器分析设计标准S.4 李群生.大型延迟焦化装置焦炭塔裙座部位锻焊结构优化J.炼油技术与工程，2012，42（2）：35-40.5 潘建华，崔军，姚佐权，江涛.加氢反应器裙座支撑结构的有限元分析J.油气储运，2014，33（2）：190-193；199.6 吴娜.热箱对焦炭塔裙座部位温度场的影响分析J.化工装备技术，2009，30（2）：47-50.7 吴娜.焦炭塔循环载荷下的疲劳分析D.中国石油大学（华东），2009.8 吴航.基于ANSYS的热辐射应力分析J.中国特种设备安全，2016，32（5）：27-29.9 杨世铭，陶文铨.传热学M.高等教育出版社.收稿日期：2024-03-1813