出口收集器是安装在加氢反应器内部底封头物料出口附近的工艺内件，在整个加氢工艺流程中发挥着重要作用。工艺内件一般在加氢反应器整体组焊完发运至现场后再进行装配，但是，由于某些型号的出口收集器尺寸过大，无法从人孔装入到反应器内部，需要在反应器最后合拢环焊缝施焊前装入反应器内。
在组焊合拢环缝时，整个反应器被放在托辊上以一定的角速度旋转，为保护出口收集器本身及反应器内壁，应将出口收集器固定在反应器内。由于用户要求出口收集器与底封头的装配支撑筋板要在反应器最终焊后热处理之后才可焊接，所以需要将出口收集器先固定在反应器内壁上，随反应器一起旋转，并与反应器一起完成最终焊后热处理。
笔者根据用户要求，对常温条件下出口收集器随壳体旋转和最终焊后热处理两种工况进行校核。
1方案提出
针对用户要求，笔者提出在反应器内壁焊接四个临时支撑板以固定出口收集器（见图1，图2）。该方案利用螺栓通过焊接在出口收集器本体底
部的支耳与壳体上焊接的临时支撑板紧固牢靠，保证出口收集器在随设备一起旋转时不会脱落；在进行最终焊后热处理时，要放松螺栓，使出口收集器在自身重力作用下靠在反应器壳体上，受热自由膨胀时，支撑板上的长圆孔使连接部位不承受载荷，所以无需对连接部位进行应力校核。而对常温条件下出口收集器
随反应器旋转时，出口收集器支耳和支撑板上的螺栓孔、根部焊接位置，以及螺栓的应力集中进行分析校核。
2结构应力分析
（1）基本参数
某加氢反应器设备内径覫4267mm ，壳体壁厚
1.一重集团大连工程技术有限公司工程师，辽宁大连116600
加氢反应器出口收集器支撑结构分析
刘人锋1
摘要：提出一种可以满足加氢反应器出口收集器固定及与壳体同时完成最终焊后热处理时受热膨胀要求的安装方案，通过对出口收集器的支耳、支撑板及焊接部位的静力分析，以及对螺栓孔及紧固件的接触分析校核，判定应力强度及剪切应力验证方案的合理性。
关键词：出口收集器；接触分析；螺栓应力校核
中图分类号：TE966文献标识码：B 文章编号：1673-3355（2020）06-0004-05
Analysis on Support Structure to Outlet Collector of Hydrogenation Reactors Liu Renfeng
Abstract:The paper puts forth an installation solution that can meet requirements both on the securing of the outlet collector inside hydrogenation reactors and on its free expansion when it is subject to final post-welding heat treatment together with the reactor shell.The feasibility of the solution is verified by analyzing the static forces on the lugs,support plates and welds of the outlet collector,and analyzing and checking the contact with the screw holes and fasteners to judge the stress strength and shear stress.
Key words:outlet collector;contact analysis;bolt stress check
10.3969/j.issn.1673-3355.2020.06.004
图3出口收集器几何结构模型
*：壳体由母材和堆焊层构成，壳体母材为SA-336GR.F22V ，堆焊层材料为TP 347，临时支撑板焊接在堆焊层上，考虑到堆焊层的力学性能低于母材，为得到更为保守的结果，整个壳体按照SA-182F347建模简化。
（b ）俯视图
图2支撑板详图
图1焊接
在壳体筒节上的支撑板示意图
（a ）主视图
250.5mm ，出口收集器外径尺寸为Ø1498.6mm ，内径为Ø1414.6mm ，收集器底部有八个支耳均匀
分布，在壳体焊接四个临时支撑板，与四个支耳用螺栓紧固连接。反应器设备按ASME Ⅷ-2[1]
设
计，所有材料的力学性能均从
ASME
Ⅱ-D [2]
获得
（见表1）。
表1材料性能数据
部件材料弹性模量（MPa ）泊松比许用拉伸应力
(基于ASME II-D 表5A )
(MPa ）
许用剪切应力(MPa ）
子[]=0.4
S y
壳体*
时支撑板SA-182F347*,
SA-240M TP 3471950000.313882出口收集器及支耳SA-240M TP 3471950000.313882螺栓螺母(规格M16)
SA-193B8C CL2SA-1948C
195000
0.3
172
276
（2）模型建立
本文采用有限元分析方法对出口收集器及支撑板模型进行应力分析。由于壳体为对称结构，建模采用半模型，出口收集器和支撑板及螺栓螺母采用全模型结构（见图3）。为减少计算量，对焊缝进行简化处理，忽略焊脚和焊缝倒圆，由此得到的计算结果更加保守。采用六面体单元网格进行网格划分（见图4）。
（3）工况及边界条件
出口收集器固定在壳体筒节上随壳体筒节一起旋转，为了反映在不同位置出口收集器的受力变化，本文选取几个特殊角度进行静力分析。出口收集器位于壳体筒节底部时，出口收集器底端与筒节接触，螺栓、支耳和支撑板均不受约束力，笔者以此位置为基础0°点，分别校核出口收集器转至
90°，135°和180°三个位置时的静力工况。45°位置是135°的对称工况，但不及135°工况苛刻，故不予考虑。整个结构在常
温下只受重力作用（见表2）。
图6180°位置时集器螺栓螺母剪切应力分布云图
图5180°位置时出口收集器应力分布云图
表2模型边界条件
*：壳体筒节放在支承辊上匀速旋转，处于受力平衡状态，重力对筒体变形的影响可以忽略不计，在此将筒节横截面施加固定约束。
（b ）螺栓组
图4出口收集器网格模型
（4）接触分析正常状态下，当出口收集器处于0°位置时，螺栓与支耳和支撑板上的螺栓孔不接触，螺母和出口收集器支耳，螺栓头和支撑板，支撑板和支耳之间紧密接触，没有相对位移。当出口收集器位于
90°，135°和180°位置时，受重力作用，上述接触面将产生相对滑动，螺栓柱和螺栓孔壁会贴合并产生挤压变形。笔者将以上部位的面设置为面-面摩擦接触形式，建立接触对，摩擦系数按钢对钢摩擦系数0.2选取。
3应力强度评定与结果分析
（1）180°位置应力强度评定
经计算，得到出口收集器、临时支撑板及螺栓
螺母处于180°时的应力分布云图（见图5）。由于本设备是按照ASME Ⅷ-2设计，所以采取第四强
度理论，应力强度按照von-Mises 应力计算。为考察螺柱的剪切应力强度，提取螺栓螺母剪切面上的剪切应力（见图6）。
由云图可以看出，整个模型的应力集中主要在支撑板螺栓孔、支耳螺栓孔和螺栓柱上，其余部位的应力
水平比较低。应力极值点出现在螺栓头与螺栓柱的连接位置，峰值为171.23MPa 。螺栓柱的剪切应力最大值也出现在螺栓头和螺栓柱相连接的位置，考虑到剪切应力的方向性，笔者取绝对值较大的70.71MPa 作为螺栓剪切应力的校验值。为全面考察出口收集器、临时支撑板和螺栓螺母各处结构的应力强度，笔者对云图中各部件的应力最大区域采用线性化处理，沿支撑板螺栓孔和支耳螺栓孔的板厚度方向，以及螺栓杆的径向方向划分应力线性化路径1-1~1-3（见表3）。
由表3可知，各处的一次薄膜应力均较低，而
（a ）收集器
载荷位置加速度（mm/s 2）
约束类型
重力结构的全部实体9806.6-重力筒节对称面-对称面约束重力
筒节横截面*
-固定约束
（a ）收集器
（b ）螺栓
组
表4135°位置时应力线性化路径与强度评定
表3180°位置时应力线性化路径与强度评定
螺栓柱和支撑板螺栓孔的
von-Mises
应力相对较高，这是由于在180°位置时，在重力作用下螺栓与螺栓孔接触的局部位置产生较大应力集中。总体来看，各结构位置的应力强度均在合格范围内。
（2）135°位置应力强度评定
经计算，得到出口收集器、临时支撑板及螺栓螺母处于135°时的应力分布云图（见图7），以及螺栓螺母剪切面上的剪切应力云图（见图8）。
位置路径应力分类应力强度评定（MPa ）评定结果
支撑板螺栓孔1-1P L
P L =24.96<S *=138
合格P L +P b +Q von-Mises=108.28<1.5S =207合格支耳螺栓孔1-2P L P L =28.18<S =138合格P L +P b +Q von-Mises=70.89<1.5S =207合格螺栓柱1-3
P L P L =21.65<S =172合格图8135°位置时螺栓螺母剪切应力分布云图
图7135°位置时出口收集器应力分布云图
（a ）收集器（b ）螺栓组
由图可知，应力集中主要在发生支撑板螺栓孔，支耳螺栓孔和螺栓柱处，其余部位的应力水平均比较低。应力极值点出现在螺栓头与螺栓柱的连接位置，为203.55MPa 。螺栓柱的剪切应力强度最大值也出现在螺栓头和螺栓柱的连接处，考虑到剪切应力的方向性，笔者取绝对值较大的80.28MPa 作为螺栓剪切应力的校验值。针对各部位应
力集中，采用线性化处理法，沿支撑板螺栓孔和支耳螺栓孔处的板厚度方向，以及螺栓杆径向方向划分应力线性化路径2-1~2-3（见表4）。
比较表3和表4后发现，所有一次薄膜应力均处于较低水平，仅出口收集器支耳的一次薄膜应力略有升高，von-Mises 应力提高明显，螺栓柱的
von-Mises 应力和剪切应力都有所提高。笔者分析，当出口收集器处于135°位置时，由于螺栓和出口
收集器支耳之间产生相对滑移，和螺栓孔产生挤压，导
致支耳螺栓孔的von-Mises 应力提高；当结构整体处于在180°位置时，重力对各结构件仅有拉伸作用，
在135°位置时，在重力作用下，由力臂产生的弯矩增加了结构中弯曲应力分量，由此导致螺栓柱von-Mises 应力和剪切应力升高。
（3）90°位置应力强度评定
经计算，得到出口收集器、临时支撑板以及螺栓螺母处于90°位置时的应力分布云图（见图9），以及螺栓螺母剪切面上的剪切应力云图（见图
10）。
位置路径应力分类应力强度评定（MPa ）评定结果
支撑板螺栓孔2-1P L
P L =22.92<S =138
合格P L +P b +Q von-Mises=136.74<1.5S =207合格支耳螺栓孔2-2P L P L =40.40<S =138合格P L +P b +Q von-Mises=136.03<1.5S =207合格螺栓柱2-3
P L P L =18.70<S =172合格
位置路径应力分类
应力强度评定（MPa ）评定结果
支撑板螺栓孔
3-1
P L P L =15.1<S *=96.6
合格P L +P b +Q von-Mises=125.7<1.5S =207合格
支耳螺栓孔3-2
P L P L =17.97<S =96.6
合格P L +P b +Q von-Mises=103.29<1.5S =207合格螺
栓柱3-3
P L P L =22.1<S =172合格
P 图1090°位置时螺栓螺母剪切应力分布云图
图990°位置时出口收集器应力分布云图
由图可知，整个模型的应力集中主要发生在支撑板的根部与壳体筒节焊缝的连接处，支耳和出口收集器本体焊接处和螺栓柱与螺栓头连接处，其余部位的应力均比较低。应力峰值点仍出现在螺栓头与螺栓柱连接处，为241.17MPa 。螺栓柱的剪切应力强度最大值也出现在相同位置，考虑到剪切应
力的方向性，笔者取绝对值较大的91.22MPa 作为螺栓剪切应力的校验值。对各应力集中部位采用线性化处理法，沿支撑板与设备
壳
体焊接处及出口收集器支耳与本体焊接位置处钢板的厚度方向，以及螺栓杆径向方向划分应力线性化路径3-1~3-3（见表5）。
（a ）收集器
（b ）螺栓组
表590°位置时应力线性化路径与强度评定
由表4可知，位于90°位置时，一次薄膜应力也处于较低的水平，而螺栓柱的von-Mises 应力是所有角度中最高的，这是由于90°时由重力产生的弯矩引起的弯曲应力P b 达到峰值，P L +P b +Q 也相应
提高。同时，螺栓柱在剪切面上的剪切应力也达到最大值。总体来看，90°位置时所有应力评定结果均为合格。
（4）应力强度结果评定
综合对比上述分析结果，在不同角度时，各部件的一次薄膜应力均处于较低水平，载荷对各部件影响较小，收集器支撑结构件能够满足使用需要。从90°位置转至180°时，支撑板和支耳的最大应力点由根部焊缝位置转移到把合螺栓与螺栓孔相接触的位置，所以支撑板和支耳的弯曲应力在135°位置达到峰值；而螺栓的剪切应力和von-Mises 应力在90°位置达到峰值。
4结语
通过对预安装在反应器内的出口收集器及支耳、支撑板和螺栓紧固件进行分析，对反应器旋转至不同角度时的应力强度进行评定，得到以下结论：
（1）在反应器壳体内焊接临时支撑板固定出口收集器的方案合理可行，各部位的一次薄膜应力在旋转过程中始终在允许范围内。
（2）螺栓紧固件在反应器转至90°时，von-
Mises 应力达到峰值，能够满足使用要求。
reactor pressure vessel参考文献
[1]ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2017Edition ⅧRULES
FOR CONSTRUCTION OF PRESSURE VESSELS Division 2
Alternative Rules [S].
[2]ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2017Edition ⅡMATERIALS Part D Properties (Metric)
[S].
收稿日期：2020-11-19

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