承壓反應釜的屈曲分析和臨界載荷預測

承壓反應釜的屈曲分析和臨界載荷預測

采用有限元分析手段，對一典型的反應釜結構進行力學分析，并根據模態分析結果對其穩定性進行校核。該方法可為薄壁殼體類承壓設備的失穩分析提供參考。

反應釜屈曲力學分析模態有限元穩定性

承壓反應釜是化工、制藥等行業中常見的典型特種設備，其中部分反應釜由于工藝需要，常處于復雜的組合工況中運行，并且由于熱交換需要，反應釜采用帶夾套的結構，除承受本體內部壓力以外，本體外部的夾套中也存在一定的壓力。在本體和夾套操作壓力組合工況下，反應釜這種薄壁殼體容器有可能產生較大的應力和應變，導致穩定性變差，進而發生屈曲，或稱失穩，最終造成設備失效。因此，對承受復雜組合工況的反應釜進行失穩特性的力學分析是必要的。

近年來，薄壁殼體的屈曲問題一直是業內研究的一個熱點，并已取得很多科研成果[1-7]。本文采用有限元分析手段，對帶換熱夾套的反應釜進行了力學分析和模態分析，并基于分析結果對反應釜失穩特性進行討論。該方法可為薄壁殼體類承壓設備的失穩分析提供參考。

1 計算模型和方法

1.1 物理模型

反應釜的結構及尺寸參數。

按照ASMEⅧ,Division 2中第5.4.1.2款的類型-1失穩準則，設計時穩定性安全系數應取2.5；按照我國GB 150中的相關規定，對圓筒其穩定性安全系數應取2.7。綜合以上兩種設計標準，最后在分析中采取偏保守的算法，安全系數取為2.7。

1.2 數值計算模型

對反應釜容器本體和夾套部分進行整體三維建模，考慮對稱因素，簡化為反應釜的1/2幾何模型，賦予反應釜部件相應的材料屬性和厚度。

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采用ABAQUS-S4R殼單元結構化網格對反應釜模型進行離散化處理。

1.3 計算方法和邊界條件

建立反應釜的有限元模型并施加所有相關的載荷及邊界條件（以夾套壓力0.6 MPa為例）：

建立一個靜態預載荷步并在該分析步中對反應釜內筒施加外壓。在截面施加對稱約束，在夾套、筒體與封頭連接處施加位移邊界條件Ux=Uy=Uz=0。

預載荷壓力=0.6 MPa。

建立一個屈曲步并要求至少3個特征值。在該分析步中對反應釜內筒施加擾動載荷。本分析工況下的擾動載荷為0.6 MPa。

2 分析結果討論

2.1 模態分析結果

反應釜的模態分析結果，截取了該模型前三階模態，各階模態的特征值分析結果。

2.2 許用外壓力 （失穩壓力）預測

本文采用的失穩壓力預測公式為：

其中，預載荷為失穩步驟前的總載荷；擾動載荷為失穩步驟中的步進載荷。因此，有：

失穩壓力的絕對值高于反應釜的載荷0.6 MPa，計算結果滿足剛度要求。故內筒厚度取15.1 mm。

采用同樣的分析方法可知，對于夾套壓力為0.5 MPa的工況，內筒厚度應取14.0 mm；夾套壓力為0.4 MPa的工況，內筒厚度應取12.8 mm。

2.3 不同安全系數下的穩定性校核

考慮穩定性安全系數為1.0的情況。取內筒厚度為9.9 mm，建立反應釜的有限元模型并施加所有相關的載荷及邊界條件，分析并查看結果。

該工況下的前三階模態分析結果

同樣進行失穩壓力的校核。

同樣，分析得到該安全系數下，夾套內部壓力為0.5 MPa時，內筒厚度應取9.0 mm；夾套內部壓力為0.4 MPa時，內筒厚度應取8.5 mm。

3 結論

（1）通過有限元分析，獲得了不同夾套壓力工況下反應釜各階振型圖和模態特征值的預測結果，也得到了反應釜在各階模態下的變形情況，并校核了失穩壓力，即臨界屈曲載荷。

（2）通過模態分析和臨界屈曲載荷的預測，得到了各安全系數下保證反應釜穩定性的最小壁厚。

（3）由有限元分析結果可見，隨著壁厚增加，反應釜的各階臨界載荷呈增大趨勢，表明該反應釜的穩定性設計是合理的。