METODI NUMERICI PER L’ANALISI DI RECIPIENTI IN PRESSIONE
AUTORE : Ing. Galloni Michele – Parma
Analisi Termico/Strutturale di reattore in pressione :
Fondo emisferico con bocchello e flangia con aste di serraggio.
Cliente Belleli Energy (Mantova)
Anno: 2010
Obiettivo
Scopo del lavoro è lo studio dello stato termico e tensionale dell’insieme bocchello -flange sito sul fondo emisferico di un reattore in pressione.
Norme utilizzata : ASME VIII Division 2 Ed.2007 Addenda 2008
Dati tecnici
Diametro interno fasciame: 4900 mm Spessore fasciame : 240mm
Diametro interno fondo emisferico :5000mm Spessore fondo : 125mm
Diametro interno bocchello : 915mm Spessore parete bocchello : 225mm
Spessore flangia inferiore : 233mm
Spessore flangia superiore : 388mm
Numero di aste delle flange : 24
Temperatura di progetto : 454°C
Pressione di progetto: 186 bar
Creazione di un modello assialsimmetrico
Per la fase iniziale, limitatamente alle analisi termiche, si è creato un modello assialsimmetrico, con le zone in prossimità della corona circolare contenente i fori delle aste a modulo di elasticità modificato al fine di tenere in considerazione la presenza dei fori.
Analisi Termica
Per tali analisi si è utilizzato il modello in assialsimmetria al fine di minimizzare gli oneri computazionali.
La condizione di progetto prevedendo una temperatura di esercizio elevata (454°C), ha richiesto l’esecuzione di una analisi in transitorio termico al fine di valutare se la differenza di temperatura tra due nodi adiacenti posti ad una distanza prefissata rendesse necessaria una analisi di creep secondo le specifiche richieste dal committente. L’analisi in transitorio termico ha compreso sia le fase di starup quanto quella di shutdown. I risultati hanno stabilito come la analisi a creep non fosse ncessaria.
Nella preliminare analisi termica sul modello è stato inserito lo spessore di isolante, poi rimosso per la analisi meccanica una volta determinata la distribuzione delle temperature.
Le figure seguenti mostrano la distribuzione della temperatura nel tempo, e un dettaglio della distribuzione di temperatura in esercizio.
Il grafico raffigura l’andamento della temperatura durante le fasi di transitorio termico.
Figura 1 : distribuzione termica temporale su modello assialsimmetrico.
Figura 2 : distribuzione termica temporale su modello assialsimmetrico , a regime.
Figura 3 : grafico della distribuzione termica durante le fasi di startup e shutdown.
Creazione del modello tridimensionale
Metodologia di modellazione : stante le dimensioni degli spessori, necessariamente lo studio di tale componente strutturale ha richiesto una modellazione tridimensionale con utilizzo di elementi solidi. Considerazioni relative alla asimmetria della tubazione superiore nonché dei carichi esterni ad essa applicati hanno preferito tale soluzione alla modellazione in assialsimmetria.
Per la generazione del modello tridimensionale, scartata la completa ed automatica utilizzazione di generazione automatica della mesh da modello solido creato mediante programma di disegno, giudicata meno controllabile per la fase di postprocessing, non potendo sfruttare in assoluto la geometria di rivoluzione per la parte del fondo e delle flange, a causa della presenza dei fori delle aste, si è ovviato utilizzando una tecnica mista di modellazione.
Tale tecnica ha seguito i seguenti passi:
a) creazione della sezione di rivoluzione, zona radialmente interna alla zona dei fori delle aste, che può essere estrusa in rivoluzione fino creare una porzione che arrivi fino a metà foro.
b) per la generazione di fori delle aste si è creata la superficie contenente il foro con elementi plate per poi estruderli verticalmente. Tali passaggi sono proposti nelle figure seguenti.
Figura 4 : creazione elementi plate con foro su modello solido.
Figura 5: estrusione elementi plate per creazione zona con foro per le aste.
Per le aste si sono utilizzati elementi beam di opportuna sezione, connettendone le estremità alla facce delle flange mediante opportuni elementi rigid link.
Riepilogo caratteristiche del modello solido
Numero di nodi : 139705
Numero di elementi solidi : 29472 (tipo Hexa20, Wedge15)
Numero di elementi beam : 48
Numero di elementi rigid : 1148
Numero di equazioni risolventi il sistema : 414834.
Figura 6 : modello tridimensionale creato in Straus7.
Il modello tridimensionale è stato generato dal modello assialsimmetrico (per la parte di rivoluzione) in modo da riprodurre la distribuzione di temperatura direttamente nel modello tridimensionale.
Tale distribuzione è illustrata nella figura seguente. Tutti gli elementi utilizzati, sia nel modello assialsimmetrico, quanto nel modello tridimensionale son elementi del secondo ordine (tipo Quad8, Hexa20).
Figura 7 : distribuzione di temperatura in esercizio su modello tridimensionale di Straus7.
Condizioni di carico
Si sono considerate le seguenti condizioni di carico:
Pressione interna di progetto : [Pdes]
Carico Termico : [Thermal]
Carichi esterni gravanti sulla parte terminale del bocchello dovuti alla interazione con altre parti dell’impianto : [Ext.Load]
Per le aste si è applicato il precarico dovuto alla coppia di serraggio pre-determinata da calcolo analitico : il precarico è applicato utilizzando il metodo del differenziale termico , in due iterazioni si è ottenuto il valore di carico assiale desiderato.
Combinazioni di carico
Sono ste analizzate tre combinazioni di carico
CC1 : [Pdes]
CC2 : [Pdes] + [Ext. Load]
CC3 : [Pdes] + [Ext. Load] + [Thermal]
Risultati delle analisi
Conformemente ai requisiti della Normativa ASME Divisione 2, si è proceduto alla individuazione delle sezioni di interesse per la valutazione della integrità strutturale e della loro classificazione.
Una volta effettuata la classificazione si sono verificate le tensioni in modo che le diverse componenti, membranali e flessionali, rientrassero nei limiti normativi.
Per tale operazione in fase di post-processing si è utilizzato il procedimento di linearizzazione delle tensioni, elaborando i valori nodali forniti da Straus7 mediante foglio di calcolo opportunamente predisposto.
Tali sezioni sono evidenziate nella figura seguente, e sono ripetute ed analizzate a passo angolare di rivoluzione regolare.
Complessivamente si sono quindi analizzate 64 differenti sezioni per le tre combinazioni di carico.
Figura 8 : indicazione delle sezioni tipo analizzate per le operazioni di linearizzazione delle tensioni.
A seguito delle analisi eseguite , si riportano le figure degli stati tensionali maggiormente significativi.
Figura 9: rappresentazione stato tensionale.
Figura 10 : rappresentazione stato tensionale.
Figura 11 : rappresentazione stato tensionale.
Figura 12 : deformata per una combinazione di carico.
La verifica di un componente di reattore industriale sottoposto ad importante condizioni combinate di pressione e temperatura, è stato risolto mediante analisi numeriche mediante il software ad elementi finiti Straus7.
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