基于ANSYS的加氢反应器裙座筒体上段的可靠性研究

2014-06-08王天亮何治文

石油化工建设 2014年2期

关键词：蒙特卡罗置信度反应器

王天亮周密何治文

1 四川大学化工学院四川成都 610065；2 中国二重集团核电技术研究所四川德阳 618000

基于ANSYS的加氢反应器裙座筒体上段的可靠性研究

王天亮1周密1何治文2

1 四川大学化工学院四川成都 610065；2 中国二重集团核电技术研究所四川德阳 618000

将ANSYS概率分析模块（PDS）与蒙特卡罗法相结合，以概率论和数理统计方法为基础，得出加氢反应器裙座上段在一定置信度下的可靠度曲线，并进行抽样和敏感性分析，清晰的得出了各种参数的相互影响关系。结果分析表明，该分析为今后加氢反应器设计提供了一种重要方法。

加氢可靠性 ANSYS 蒙特卡罗法敏感性

加氢反应器是石油炼化装置中重要的设备，主要运行于高温高压的环境中，随着国内锻造水平的提高，目前重要的加氢装置均采用锻件制造。裙座筒体上端（h形锻件）是加氢装置的重要部位，该部位是运行中承受高应力的主要区域，同时内外壁的温度差较大，因此存在较大的热应力（主要集中在热箱）。目前加氢反应器主要采用常规和分析设计两种方法，尽管后者比前者更加的优化，但是这两种方法我们都不知道其安全可靠程度。本文通过加氢反应器在分析设计的基础上研究其可靠程度，研究各个参数对结构影响的敏感性，为加氢装置的结构设计更加优化和安全可靠提供参考指标。

1 可靠性分析概述

1.1 可靠性设计的分析原理

本文主要利用蒙特卡罗法对分析设计的加氢反应器进行可靠性分析，在分析设计中，我们假设所有参数是确定值，但实际中，很多参数是随机不确定的，所以本文主要研究随机因素对结构可靠性的影响，加氢反应器设计中主要涉及两类基本静态变量：即强度随机静态变量σr(X 1,X 2… Xn)和应力随机静态变量σs(X 1,X 2… Xn)，其中影响σr的因素有材料的性质、结构尺寸、材料性质、热处理状态以及缺陷等；影响σs的因素有力（压力和集中力等）、弯矩载荷、温度等。

如果另结构功能函数

则结构的可靠状态可表示为

可靠度表达式为

1.2 蒙特卡罗法分析原理

蒙特卡罗法是通过对随机变量的大量抽样，对抽样结果进行统计后获得的失效概率。

蒙特卡罗法表示的可靠度为

K[A(X)]为指标函数.则抽样方差为：

选取95%的置信度来保证蒙特卡罗法的抽样误差时,有相对误差：

从蒙特卡罗方法的数学理论可知，该方法避免了结构可靠度研究中的复杂数学过程，忽略了状态函数的非线性、只要保证模拟次数足够，建模合理，就能得到该结构比较精确的可靠性指标。

2 ANSYS的蒙特卡罗法可靠性分析

本文对加氢反应器进行可靠性分析，分析前对其应力校核，合格后，通过确定随机输变量的参数值，分布类型以及分布函数，在ANSYS的PDS模块得到可靠性指标，包括最大应力分布函数，敏感性分析以及随机变量参数的分布图，利用这些指标就可以去评估所设计的部件性能，比如利用敏感度可以进行更优化的设计，以便得到更高的可靠性结构。

本文分析的部件材料为12Cr2Mo1R，设计温度为350℃，其它参数见图1，图2是分析前的有限元网格模型，APDL中的可靠性表达式为：G（X）=σmax-σs其中：σmax为运行中的最大应力；σs为材料的屈服强度；当G(X)≥0表示强度可靠，反之为强度失效。本文采用的随机变量输入参数见表1，所有的标准差均是按照相关标准查取的结果。

图1 主要结构尺寸图

在进行可靠性分析前，必须进行应力计算，本次分析需要考虑机械载荷（压力，重力载荷）以及温度体载荷（见图3）对加氢反应器共同的作用应力（见图4）；利用APDL程序*GET,MAXSTR,SORT,MAX获得节点的最大应力值并存储。为其可靠性分析提供随机数据。

图3 温度分布云图

表1 随机变量参数表

图4 温度和力载荷共同作用下的应力云图

3 可靠度分析

3.1 可靠度计算结果

本次可靠度计算中的极限值是指各部位最大应力小于应力极限的概率为95%，如果各部位的应力极限小于材料的许用应力，则该部位是安全的，可靠度值将超过95%。

从图5可清楚显示应力取值的概率情况，并且在置信度95%的情况下，Z小于0的平均概率为4.62%，即该部件的结构失效概率。Z大于0（可靠度）占据主要部分，约为95.38%，根据工程设计的要求，说明安全的，发生不可靠性的概率很小。

3.2 抽样过程分析

图5 最大应力点的分布函数图

图6 MAXSTR抽样过程分布图

利用ANSYS对由第三强度理论确定的最大等效应力进行500次抽样，从图6可知，上下两条曲线（应力与强度的平均值曲线）逐渐接近且收敛，由蒙特卡罗可靠性分析原理可知，说明数值模拟的次数满足抽样要求，服从正态（高斯）分布，从图8中也可以看出，压力P值接近正态分布曲线，也说明从单个变量分析模拟次数也是足够的。

图7 MAXSTR敏感性分析图

3.3 敏感性分析

利用ANSYS软件能对模型的输入参数的敏感程度进行自动分析，随机输入变量对输出变量的敏感性分析用概率的灵敏度表示，从图7中可知，在忽略温度为波动因素的情况下，压力P，结构参数 R2，R1，T2，T3对输出的量影响较大，其他影响较小，所以我们可以利用本图对加氢反应器进行结构的优化设计时达到更高的效率，得到更合理的结果。