CN104077470B - 基于风险的超高压管式反应器端部结构过盈量设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于风险的超高压管式反应器端部结构过盈量设计方法，其特征是设计存在过盈量的由反应管与夹套组成的端部结构；首先通过理论公式计算出防止该端部结构泄漏，保证其密封的最小过盈量；其次利用有限元分析端部结构局部应力场应力水平随过盈量变化的关系，借助二者的关系确定端部结构由环向断裂失效模式向轴向断裂失效模式转变的临界过盈量；最后综合其他因素，在最小过盈量和临界过盈量之间选定合适的过盈量，完成超高压管式反应器端部结构过盈量的设计。本发明可用于超高压管式反应器端部过盈套合结构的设计，为端部结构中的重要参数——过盈量提供了基于风险的设计方法，预防端部结构泄漏失效和沿环向断裂失效。

Description

基于风险的超高压管式反应器端部结构过盈量设计方法

技术领域

本发明属于超高压管式反应器端部结构的过盈配合技术领域，具体涉及一种基于风险的超高压管式反应器端部结构过盈量设计方法。

背景技术

基于风险的设计是在设备的设计阶段就对其失效模式、失效可能性进行识别，并在设计时加以考虑，以实现控制设备使用中的风险，最大程度地降低设备失效带来的危害和损失。

超高压管式反应器是超高压聚乙烯装置的核心设备，如图1所示，主要由设置在内侧的反应管10与设置在外侧的冷却水管20组成，反应管10中进行乙烯在超高压条件下的聚合反应，冷却水管20中通入冷却水对乙烯聚合反应产生的大量热量进行置换。冷却水管20的端部设有套设在反应管10上的夹套30，夹套30与反应管10构成过盈配合，此处的夹套30与反应管10、冷却水管20共同构成端部结构，保证了冷却水管20的密封可靠性和静强度。

过盈配合是机械工程中常用的联接方式，在保证联接可靠性的同时，也要兼顾配合部件的疲劳寿命，由于配合面存在接触和摩擦，套合边缘存在着局部应力场，因此过盈配合在极限的工作条件下容易发生失效破坏。超高压管式反应器端部结构由于是过盈配合，端部结构存在局部应力场，而局部应力场的应力水平高低与过盈量大小有着直接密切的关系，特别是过盈量增大到一定程度后，局部轴向应力水平会在一定范围内高于环向应力。此外，冷却水中含有氯离子、溶解氧等腐蚀介质，且端部结构在夹套收缩区的局部范围内流动状态不佳，腐蚀介质易在此积聚、结垢，使端部结构套合边缘附近沿整个圆周方向产生多个腐蚀“凹坑”，进而发生垢下腐蚀。这种情况下，如果轴向应力水平高于环向应力则会导致此位置的缺陷萌生转化为环向裂纹，端部结构的反应管沿整个圆周方向产生多个环向裂纹，在较高轴向应力水平和腐蚀介质的共同作用下，最终造成端部结构沿反应管环向的腐蚀疲劳断裂失效破坏。若环向应力水平高于轴向应力，虽亦有产生轴向裂纹的可能，但由于难以在反应管外壁形成沿轴向的连续缺陷，因此环向应力水平高于轴向情况下的端部结构失效的风险要比轴向应力水平高于环向的情况较低。

由此可见，有必要提出超高压管式反应器端部结构过盈量基于风险的设计方法，为端部结构更好地设计提供参考依据，降低其使用过程中的风险。

发明内容

本发明是为了降低超高压管式反应器的使用风险，提供一种基于风险的超高压管式反应器端部结构过盈量设计方法，用于超高压管式反应器端部过盈套合结构的设计，为端部结构中的重要参数——过盈量提供了基于风险的设计参考依据。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于风险的超高压管式反应器端部结构过盈量设计方法，其包括如下步骤：

步骤1：根据工艺要求，明确反应管和夹套的材料、几何参数、载荷和温度设计条件；

步骤2：分别计算反应管和夹套之间配合面的最小过盈量Δ_min和最大过盈量Δ_max

1)双层圆筒过盈配合理论公式计算满足密封比压的最小过盈量Δ_min，所述最小过盈量Δ_min为Δ的最小值，

其中：

p_1，2≥2mP，m为系数，且4≤m≤6，P为夹套的设计压力，单位为MPa；

Δ为D_1,2上的过盈量，单位为mm；

E为反应管材料的弹性模量；

D为夹套的外直径，单位为mm；

D_1,2为反应管的外直径，单位为mm；

d为反应管的内直径，单位为mm；

2)采用有限元分析超高压管式反应器端部结构局部应力场的应力水平；根据有限元分析结果，获得超高压管式反应器端部结构局部应力场中局部轴向应力与环向应力随过盈量的变化关系，得到轴向应力小于环向应力所对应的过盈量的范围，所得过盈量的范围的最高值即为最大过盈量Δ_max；

步骤3：确定过盈量的设计选取范围[Δ_min，Δ_max]。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明考虑超高压管式反应器在服役过程中的使用风险、最终的失效模式，对其端部结构过盈量进行基于风险的设计。

2、本发明考虑端部结构的密封比压不足导致泄漏和因端部结构局部轴向应力高于环向造成的环向腐蚀疲劳断裂两种失效模式，在设计时进行分析计算，确定适宜的过盈量，可以有效地降低该结构服役过程中的失效风险。

附图说明

图1为本发明的流程简图。

图2为本发明中超高压管式反应器端部结构简图。

图3为本发明实施例中超高压管式反应器端部结构局部应力场与过盈量的关系曲线。

图中标记的含义如下：

10—反应管20—冷却水管21—冷却水进水口30—夹套。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明中的基于风险的超高压管式反应器端部结构过盈量设计方法进行详细说明：

步骤1：根据工艺要求，明确材料、几何参数、载荷和温度设计条件；

实施例中，反应管10的材料为高强钢，夹套30的材料为碳钢，反应管10的工作压力为0～245MPa，温度为60～90℃，内直径d＝40mm，外直径D_1,2＝88mm；夹套30的工作压力为0.7MPa，设计压力为3.43MPa，夹套长度125mm，外直径D＝148mm。

步骤2：分别计算最小过盈量Δ_min和最大过盈量Δ_max

1)根据密封比压公式2mP和双层圆筒过盈配合理论公式计算满足密封比压的最小过盈量Δ_min；

查阅标准，密封比压为2mP，m为系数，m＝6，P为设计压力，即密封比压为2×6倍的设计压力，本实施例中密封比压为2×6×3.43＝41.16MPa；

过盈配合理论计算公式如下：

其中：

p_1，2为反应管10和夹套30之间配合面的界面压力，p_1，2≥2mP；

Δ为D_1,2上的过盈量；

E为反应管材料的弹性模量；

要满足密封，则_p1,2≥41.16MPa，因此，Δ≥0.032mm，即Δ_min＝0.032mm。

2)采用有限元分析超高压管式反应器端部结构局部应力场的应力水平；根据实施例中的端部结构参数进行有限元建模分析，根据有限元分析结果，获得局部应力场中局部轴向应力与环向应力随过盈量的变化关系，得到轴向应力小于环向应力所对应的过盈量的范围，所述过盈量的最高值即为最大过盈量Δ_max；

由有限元建模分析结果，获得如图3所示的局部应力场与过盈量的关系曲线，可知，轴向应力与环向应力相等时，过盈量Δ为0.05mm，即最大过盈量Δ_max＝0.05mm，当设计过盈量Δ＜Δ_max时则轴向应力小于环向应力，预防端部结构在局部区域内腐蚀介质和较高的轴向应力水平下产生环向裂纹并沿环向扩展断裂；

步骤3：确定过盈量的设计选取范围[Δ_min，Δ_max]

综合以上两方面，过盈量Δ需在[0.032mm，0.05mm]间选取。

Claims (1)

1.基于风险的超高压管式反应器端部结构过盈量设计方法，其包括如下步骤：

步骤1：根据工艺要求，明确反应管和夹套的材料、几何参数、载荷和温度设计条件；

步骤2：分别计算反应管和夹套之间配合面的最小过盈量Δ_min和最大过盈量Δ_max

1)根据双层圆筒过盈配合理论公式计算满足密封比压的最小过盈量Δ_min，所述最小过盈量Δ_min为Δ的最小值，

其中：

p1，₂为反应管和夹套之间配合面的界面压力，p1，2≥2mP，m为系数，且4≤m≤6，P为夹套的设计压力，单位为MPa；

Δ为上的过盈量，单位为mm；

E为反应管材料的弹性模量；

$K=\frac{D}{d},K_1=\frac{D_{1,2}}{d},K_2=\frac{D}{D_{1,2}};$

D为夹套的外直径，单位为mm；

D_1,2为反应管的外直径，单位为mm；

d为反应管的内直径，单位为mm；

2)采用有限元分析超高压管式反应器端部结构局部应力场的应力水平；根据有限元分析结果，获得超高压管式反应器端部结构局部应力场中局部轴向应力与环向应力随过盈量的变化关系，得到轴向应力小于环向应力所对应的过盈量的范围，所得过盈量的范围的最高值即为最大过盈量Δ_max；

步骤3：确定过盈量的设计选取范围[Δ_min，Δmax]。