高壓分離罐畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p><b>　　1 有限元法3</b></p><p>　　1.1 有限元法概述3</p><p>　　1.2 有限元法與其他分析法的區(qū)別3</p><

2、;p>　　1.3 有限元法解題步驟6</p><p>　　2 有限元分析軟件ANSYS8</p><p>　　2.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介8</p><p>　　2.2 ANSYS軟件的功能10</p><p>　　2.3 ANSYS軟件的分析過程11</p><p>　　2.3.1 前處理11<

3、/p><p>　　2.3.2 加載求解12</p><p>　　2.3.3 后處理12</p><p>　　3 高壓分離罐13</p><p>　　3.1 加氫精制簡(jiǎn)介13</p><p>　　3.2 高壓分離罐的總體結(jié)構(gòu)14</p><p>　　3.2.1 材料15</p>

4、<p>　　3.2.2 筒體15</p><p>　　3.2.3 封頭15</p><p>　　3.3.4 裙座16</p><p>　　4 高壓分離罐應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核17</p><p>　　4.1 分析設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介17</p><p>　　4.2 應(yīng)力分類18</p><

5、p>　　4.2.1 一次應(yīng)力P19</p><p>　　4.2.2 二次應(yīng)力Q20</p><p>　　4.2.3 峰值應(yīng)力F20</p><p>　　4.3 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定方法21</p><p>　　4.4 設(shè)計(jì)條件22</p><p>　　4.5 高壓分離罐應(yīng)力分析23</p>&l

6、t;p>　　4.5.1 上封頭24</p><p>　　4.5.1 油氣入口開孔30</p><p>　　4.5.3 裙座36</p><p><b>　　結(jié)論43</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p><b>　

7、　謝辭45</b></p><p><b>　　附錄147</b></p><p><b>　　附錄252</b></p><p><b>　　附錄356</b></p><p><b>　　前言</b></p><

8、p>　　石化工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，是提供交通運(yùn)輸燃料和石油化工原料的工業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防和社會(huì)發(fā)展中具有極其重要的地位和作用。隨著人類對(duì)石油產(chǎn)品的需求量不斷增加，人類對(duì)油品質(zhì)量的要求也也來越高。為了獲取高質(zhì)量的石油加工產(chǎn)品或增產(chǎn)石油化工原料和中餾份油，以及適應(yīng)高含硫原油、劣質(zhì)原油深加工的需要與改善環(huán)境條件等目的，在現(xiàn)代石油加工工業(yè)中出現(xiàn)了加氫工藝裝置。</p><p>　　加氫工藝于1927年

9、在工業(yè)上得到應(yīng)用，但由于高壓設(shè)備制造困難，合金鋼材耗用量大，投資大等原因，因此在石油煉制工業(yè)中一直未得到迅速發(fā)展。加氫工藝過程具有工藝流程簡(jiǎn)單、生產(chǎn)靈活性大，產(chǎn)品收率高，質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在它已作為現(xiàn)代煉油技術(shù)在各國(guó)煉油行業(yè)廣泛應(yīng)用。</p><p>　　20世紀(jì)90年代以來，世界煉油企業(yè)加工的原油重質(zhì)化趨勢(shì)加大，原油中硫和重金屬含量明顯上升，以及各國(guó)的環(huán)保法規(guī)對(duì)石油加工產(chǎn)品清潔性要求日趨嚴(yán)格，煉油企業(yè)不得不采用清

10、潔生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)清潔燃料。與此同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，而且在減少其尾氣污染物排放和污染物治理方面也取得了顯著成效。成品油市場(chǎng)中柴油需求增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)高于汽油。芳烴和乙烯等原料的需求也不斷增長(zhǎng)，僅僅依靠原油加工量的增長(zhǎng)已不能滿足需要。因此，加氫工藝和技術(shù)受到世界各大石油公司的普遍重視，加氫裝置建設(shè)和技術(shù)開發(fā)明顯加快。</p><p>　　高壓分離罐作為加氫工藝裝置的關(guān)鍵設(shè)備，長(zhǎng)期處于高溫、高壓、臨氫、高

11、溫硫和硫化氫環(huán)境，使用條件苛刻，其設(shè)計(jì)和制造難度較大。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外對(duì)其設(shè)計(jì)、材料和制造技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究和工程實(shí)踐，特別是近年來，隨著加氫裝置的大型化，高壓分離罐的制造周期加長(zhǎng)、生產(chǎn)成本不斷提高。為了縮短制造周期、降低生產(chǎn)成本，保證加氫反應(yīng)器的安全可靠運(yùn)行，開發(fā)了新材料，應(yīng)用了許多新工藝、新技術(shù)。</p><p>　　安全性是設(shè)計(jì)高壓分離罐遵循的重要準(zhǔn)則，隨著大型化高參數(shù)化工容器的廣泛使用，在設(shè)計(jì)觀點(diǎn)和

12、方法上，以往所采用的基于彈性失效準(zhǔn)則的按“常規(guī)設(shè)計(jì)”方法已不能完全適應(yīng)工程設(shè)計(jì)的要求，基于塑性失效準(zhǔn)則的“分析設(shè)計(jì)”越來越多的應(yīng)用到現(xiàn)代容器的設(shè)計(jì)中。分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)首先是對(duì)容器關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)載荷和應(yīng)力進(jìn)行分類。應(yīng)用流體分析模型和應(yīng)力分析技術(shù)進(jìn)行流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模擬，解決了分離器高應(yīng)力區(qū)和高溫度區(qū)的應(yīng)力計(jì)算，大大提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性和使用的安全性。ANSYS作為最通用有效的有限元軟件之一，在壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

13、</p><p>　　本文就高壓分離罐進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)說明，其中簡(jiǎn)要的說明了高壓分離罐的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》著重對(duì)加氫反應(yīng)器局部的應(yīng)力分布集中狀態(tài)和應(yīng)力校核進(jìn)行了詳細(xì)的論述。同時(shí)，還對(duì)所使用的有限元方法和ANSYS 14.0做了簡(jiǎn)要的說明。</p><p><b>　　1 有限元法</b></p><

14、p>　　1.1 有限元法概述</p><p>　　有限元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)起源于到20世紀(jì)40年代。Courant第一次應(yīng)用定義在三角區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理來求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題?，F(xiàn)代有限單元法的第一個(gè)成功的嘗試是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，將鋼架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題，給出了用三角形單元求得平面應(yīng)力問

15、題的正確答案。1960年，Clough進(jìn)一步處理了平面彈性問題，并第一次提出了“有限單元法”，使人們認(rèn)識(shí)到它的作用。</p><p>　　有限元法的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單的問題

16、所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。</p><p>　　有限元法的優(yōu)點(diǎn)是解題能力強(qiáng)，可以比較精確地模擬各種復(fù)雜的曲線或曲面邊界，網(wǎng)格的劃分也比較隨意，可以統(tǒng)一處理多種邊界條件，離散方程的形式規(guī)范，便于編制通用的計(jì)算機(jī)程序，在固體力學(xué)方程的數(shù)值計(jì)算方面取得巨大的成功。但是在應(yīng)用于流體流動(dòng)和傳熱方程求解的過程中卻遇到一些困難，其原

17、因在于，按加權(quán)余量法推導(dǎo)出的有限元離散方程也只是對(duì)原微分方程的數(shù)學(xué)近似。當(dāng)處理流動(dòng)和傳熱問題的守恒性、強(qiáng)對(duì)流、不可壓縮條件等方面的要求時(shí)，有限元離散方程中的各項(xiàng)還無法給出合理的物理解釋[1]。</p><p>　　1.2 有限元法與其他分析法的區(qū)別[2]</p><p>　　計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的技術(shù)種類有很多，其中包括有限元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)，邊

18、界元法(BEM，Boundary Element Method)，有限差分法(FDM，F(xiàn)inite Difference Element Method)等。每一種方法都各有其應(yīng)用的領(lǐng)域。</p><p>　　有限元方法的基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法，其基本求解思想是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值

19、函數(shù)組成的線性表達(dá)式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。采用不同的權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)形式，便構(gòu)成不同的有限元方法。有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，后來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展慢慢用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。在有限元方法中，把計(jì)算域離散剖分為有限個(gè)互不重疊且相互連接的單元，在每個(gè)單元內(nèi)選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來逼近單元中的真解，整個(gè)計(jì)算域上總體的基函數(shù)可以看為由每個(gè)單元基函數(shù)組成的，則整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解

20、構(gòu)成。在河道數(shù)值模擬中，常見的有限元計(jì)算方法是由變分法和加權(quán)余量法發(fā)展而來的里茲法和伽遼金法、最小二乘法等。根據(jù)所采用的權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)的不同，有限元方法也分為多種計(jì)算格式。從權(quán)函數(shù)的選擇來說，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽遼金法，從計(jì)算單元網(wǎng)格的形狀來劃分，有三角形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格和多邊形網(wǎng)格，從插值函數(shù)的精度來劃分，又分為線性插值函數(shù)和高次插值</p><p>　　有限差分方法(FDM)是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬最早

21、采用的方法，至今仍被廣泛運(yùn)用。該方法將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)的求解域。有限差分法以Taylor級(jí)數(shù)展開等方法，把控制方程中的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商代替進(jìn)行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。該方法是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法，數(shù)學(xué)概念直觀，表達(dá)簡(jiǎn)單，是發(fā)展較早且比較成熟的數(shù)值方法。對(duì)于有限差分格式，從格式的精度來劃分，有一階格式、二階格式和高階格式。從差分的空間形式來考慮

22、，可分為中心格式和逆風(fēng)格式?？紤]時(shí)間因子的影響，差分格式還可以分為顯格式、隱格式、顯隱交替格式等。目前常見的差分格式，主要是上述幾種形式的組合，不同的組合構(gòu)成不同的差分格式。差分方法主要適用于有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格的步長(zhǎng)一般根據(jù)實(shí)際地形的情況和柯朗穩(wěn)定條件來決定。</p><p>　　構(gòu)造差分的方法有多種形式，目前主要采用的是泰勒級(jí)數(shù)展開方法。其基本的差分表達(dá)式主要有三種形式：一階向前差分、一階向后差分、一階中心差分和

23、二階中心差分等，其中前兩種格式為一階計(jì)算精度，后兩種格式為二階計(jì)算精度。通過對(duì)時(shí)間和空間這幾種不同差分格式的組合，可以組合成不同的差分計(jì)算格式。</p><p>　　有限體積法(FVM)又稱為控制體積法。其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。為了求出控制體積的積分，必須

24、假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律，即假設(shè)值的分段分布的分布剖面。從積分區(qū)域的選取方法看來，有限體積法屬于加權(quán)剩余法中的子區(qū)域法；從未知解的近似方法看來，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。簡(jiǎn)言之，子區(qū)域法屬于有限體積發(fā)的基本方法。</p><p>　　有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒

25、原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格極其細(xì)密時(shí)，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒。就離散方法而言，有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的中間物。有限單元法必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律(既插值函數(shù))，并將其作為近似解。有限差分法只考慮網(wǎng)格點(diǎn)

26、上的數(shù)值而不考慮值在網(wǎng)格點(diǎn)之間如何變化。有限體積法只尋求的結(jié)點(diǎn)值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時(shí)，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的分布，這又與有限單元法相類似。在有限體積法中，插值函數(shù)只用于計(jì)算控制體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數(shù)；如果需要的話，可以對(duì)微分方程中不同的項(xiàng)采取不同的插值函數(shù)。</p><p>　　1.3 有限元法解題步驟</p><p>　　對(duì)

27、于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。有限元求解問題的基本步驟通常為：</p><p>　　(1)問題及求解域定義，根據(jù)實(shí)際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。</p><p>　　(2)求解域離散化，將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小(網(wǎng)絡(luò)越細(xì))則離散

28、域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。</p><p>　　(3)確定狀態(tài)變量及控制方法，一個(gè)具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。</p><p>　　(4)單元推導(dǎo)，對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元

29、坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣(結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣)。</p><p>　　為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。 對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無法求解。</p><p>　　(5)總裝求解，將單元總裝形成離散域的總矩陣方

30、程(聯(lián)合方程組)，反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)(可能的話)連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。</p><p>　　(6)聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋，有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。<

31、;/p><p>　　簡(jiǎn)言之，進(jìn)行有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。</p><p>　　2 有限元分析軟件ANSYS</p><p>　　2.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　美國(guó)ANSYS公司成立于1970年，長(zhǎng)期以

32、來一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開發(fā)、研制，其先進(jìn)的技術(shù)及高質(zhì)量的產(chǎn)品贏得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，目前已成為世界CAE行業(yè)中最大的公司。在40多年的發(fā)展過程中，ANSYS不斷改進(jìn)提高，功能不斷增強(qiáng)，其強(qiáng)大的圖形處理能力及得心應(yīng)手的實(shí)用工具使得用戶在處理問題時(shí)得心應(yīng)手。而且它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，。目前最新ANSYS已發(fā)展到14.

33、5版本，本文使用的版本是ANSYS 14.0。</p><p>　　ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無法進(jìn)行。想要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的

34、發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評(píng)。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具[3]。</p><p>　　目前，ANSYS軟件已形成完善、成熟的三大核心體系：以結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)為核心

35、的MCAE體系，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為核心的CFD體系，以計(jì)算電磁學(xué)為核心的CEM體系。這三大體系不僅提供MCAE/CFD/CEM領(lǐng)域的單場(chǎng)分析技術(shù)，各單場(chǎng)分析技術(shù)之間還可以形成多物理場(chǎng)耦合分析機(jī)制。</p><p>　　在我國(guó)，ANSYS的用戶也越來越多。三峽工程、黃河下游特大型公路斜拉橋、國(guó)家大劇院、浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)、上?？萍汲翘粘恰⑸钲谀虾坊▓@大廈等在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)都采用了ANSYS軟件作為分析工具。</p&

36、gt;<p>　　圖2.1 ANSYS 14.0啟動(dòng)界面</p><p>　　圖2.2 ANSYS 14.0操作界面</p><p>　　2.2 ANSYS軟件的功能[4～5]</p><p>　　ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，可廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電

37、子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。其功能主要分為以下5類：</p><p><b>　　(1)結(jié)構(gòu)分析</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)分析又可以分為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且

38、也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。</p><p>　　(2)ANSYS熱分析</p><p>　　熱分析一般不是單獨(dú)的，其后

39、往往進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算由于熱膨脹或者收縮不均勻引起的應(yīng)力。程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。</p><p>　　(3)ANSYS電磁分析</p><p>　　主要用于電磁場(chǎng)問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)

40、分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。</p><p>　　(4)ANSYS流體分析</p><p>　　ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，

41、還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。</p><p>　　(5)ANSYS耦合場(chǎng)分析</p><p>　　耦合場(chǎng)分析主要考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用。如果兩個(gè)物理場(chǎng)之間相互影響，單獨(dú)求解一個(gè)物理場(chǎng)是不可能得到正確結(jié)果的，因此需要一個(gè)能將兩個(gè)物理場(chǎng)組合到一起求解的分析軟件。例如：在壓電分析中，需要同時(shí)求解電壓分布(電場(chǎng)分析)和應(yīng)變(結(jié)構(gòu)分析)。

42、</p><p>　　2.3 ANSYS軟件的分析過程</p><p>　　ANSYS分析過程包括3個(gè)主要步驟：前處理，加載求解，后處理。</p><p><b>　　2.3.1 前處理</b></p><p>　　在分析過程中，建立有限元模型要花費(fèi)較多的時(shí)間。在前處理過程中，先指定任務(wù)名和分析標(biāo)題，然后在預(yù)處理器下定義

43、單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料特性和有限元模型等。</p><p>　　(1)指定任務(wù)名和分析標(biāo)題，該步驟雖然不是必須的，但ANSYS推薦使用任務(wù)名和分析標(biāo)題。</p><p>　　(2)定義單位制，ANSYS對(duì)單位沒專門的要求，除了磁場(chǎng)分析以外，只要保證輸入的數(shù)據(jù)都使用統(tǒng)一的單位制即可。這時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)的單位制完全一致。</p><p>　　(3)定義單元類

44、型，從ANSYS提供的單元庫內(nèi)根據(jù)需要選擇單元類型。</p><p>　　(4)定義單元實(shí)常數(shù)，在選擇了單元類型以后，有的單元類型需要輸入用于對(duì)單元進(jìn)行補(bǔ)充說明的實(shí)常數(shù)。是否需要實(shí)常數(shù)及實(shí)常數(shù)的類型，由所選單元類型決定。</p><p>　　(5)定義材料特性，太多數(shù)情況下在分析時(shí)都要指定材料特性，ANSYS軟件可以選擇的材料特性有線性的和非線性的，各向同性的、正向同性的和非彈性的，不隨溫

45、度變化的和隨溫度變化的。</p><p>　　(6)創(chuàng)建有限元模型，創(chuàng)建有限元模型的方掛有兩種：實(shí)體建模法和直接生成法。前者先創(chuàng)建實(shí)體模型，然后劃分網(wǎng)絡(luò)形成有限元模型；后者直接創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)、單元，生成有限元模型。</p><p>　　2.3.2 加載求解</p><p>　　建立有限元模型目后，需要在求解器下選擇分析類型，指定分析選項(xiàng)，然后施加載荷和約束，指定載荷步長(zhǎng)并

46、對(duì)有限元求解進(jìn)行初始化，最后求解。</p><p>　　(1)選擇分析類型和指定分析選項(xiàng)，在ANSYS中，可以選擇下列分析類型：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)分析、譜分析、屈曲分析、子結(jié)構(gòu)分析等。平同的分析類型，有不同的分析選項(xiàng)。</p><p>　　(2)施加載荷和約束，在ANSYS中的約束處理為自由度載荷。ANSYS的載荷共分為6類：自由度載荷、集中力和力矩、表面分布載荷、體積載

47、荷、慣性載荷和耦合場(chǎng)載荷。如果按載荷施加的主體類型劃分的話，ANSYS的載荷又可以分為直接施加在幾何實(shí)體上的載荷和施加在有限元模型即節(jié)點(diǎn)、單元上的載荷。</p><p>　　(3)指定載荷步選項(xiàng)，主要是對(duì)載荷步進(jìn)行修改和控制，例如：制定子載荷步數(shù)、時(shí)間步長(zhǎng)、對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行控制等。</p><p>　　(4)求解初始化，主要工作是從ANSYS數(shù)據(jù)庫中在得模型和載荷信息，進(jìn)行計(jì)算求解，并將結(jié)果

48、寫入到結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫中。結(jié)果主件和數(shù)據(jù)庫文件的不同點(diǎn)是，數(shù)據(jù)庫文件每次只能駐留一組結(jié)果，而結(jié)果文件保存所有結(jié)果數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　2.3.3 后處理</b></p><p>　　ANSYS的后處理用來觀察分析結(jié)果。ANSYS的后處理分為通用后處理模塊和時(shí)間后處理模塊兩部分。后處理結(jié)果可能包括位移溫度應(yīng)力應(yīng)變速度以及熱流等，輸出形式可以是圖形顯示和數(shù)據(jù)

49、列表兩種。ANSYS還提供自動(dòng)或手動(dòng)時(shí)程計(jì)算結(jié)果處理的工具[6]。</p><p><b>　　3 高壓分離罐</b></p><p>　　3.1 加氫精制簡(jiǎn)介</p><p>　　加氫精制也稱加氫處理，石油產(chǎn)品最重要的精制方法之一。指在氫氣和催化劑存在下，使油品中的硫、氧、氮等有害雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的硫化氫、水、氨而除去，并使烯烴和二烯烴加氫飽和

50、、芳烴部分加氫飽和，以改善油品的質(zhì)量。有時(shí)，加氫精制指輕質(zhì)油品的精制改質(zhì)，而加氫處理指重質(zhì)油品的精制脫硫。其主要目的是對(duì)油品進(jìn)行改質(zhì)，提高產(chǎn)品的安定性及延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備使用壽命，減少對(duì)環(huán)境的污染。</p><p>　　20世紀(jì)50年代，加氫方法在石油煉制工業(yè)中得到應(yīng)用和發(fā)展，60年代因催化重整裝置增多，石油煉廠可以得到廉價(jià)的副產(chǎn)氫氣，加氫精制應(yīng)用日益廣泛。加氫精制可用于各種來源的汽油、煤油、柴油的精制、催化重整原

51、料的精制，潤(rùn)滑油、石油蠟的精制，噴氣燃料中芳烴的部分加氫飽和，燃料油的加氫脫硫，渣油脫重金屬及脫瀝青預(yù)處理等。</p><p>　　各種油品加氫精制工藝流程基本相同，如圖3.1所示，原料油與氫氣混合后,送入加熱爐加熱到規(guī)定溫度，再進(jìn)入裝有顆粒狀催化劑的反應(yīng)器(絕大多數(shù)的加氫過程采用固定床反應(yīng)器)中。反應(yīng)完成后，氫氣在分離器中分出，并經(jīng)壓縮機(jī)循環(huán)使用。產(chǎn)品則在穩(wěn)定塔中分出硫化氫、氨、水以及在反應(yīng)過程中少量分解而產(chǎn)生

52、的氣態(tài)氫[7]。</p><p>　　1-加熱爐；2-反應(yīng)器；3-分離罐；4-穩(wěn)定塔；5-壓縮機(jī)</p><p>　　圖3.1 加氫精制工藝流程</p><p>　　3.2 高壓分離罐的總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　高壓分離罐按其罐壁的使用溫度分為冷高壓分離罐和熱高壓分離罐兩種。早期的高壓分離罐，因無法解決材料在高溫下抗氫氣和抗硫化氫腐蝕的難

53、題，只能從結(jié)構(gòu)上考慮使壁溫降低，采用所謂的冷壁結(jié)構(gòu)，即在殼體內(nèi)壁上襯以一定厚度的大顆粒珍珠巖混凝土作為隔熱層。襯以隔熱層后，壁溫可維持在300到350℃。但冷高壓分離罐有以下缺點(diǎn)：一是容積有效利用率低，約為50%到60%，且在操作過程中有時(shí)因內(nèi)壁隔熱層損壞導(dǎo)致器壁局部過熱，使安全生產(chǎn)受到威脅；二是筒體上開孔十分困難。</p><p>　　20世紀(jì)60年代末開始，高壓分離罐逐步由冷壁向熱壁過渡，目前已幾乎不再制造冷

54、壁結(jié)構(gòu)。熱壁反應(yīng)器有較高的容積利用率，可達(dá)80%到90%左右，器壁不易產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，使用安全可靠，生產(chǎn)維護(hù)方便，維修周期短，可獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。高壓分離罐的總體結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。</p><p>　　1-氣體出口；2-人孔；3-絲網(wǎng)除沫器；4-油氣入口；5-進(jìn)料分離器；6-筒體；</p><p>　　7-下球形封頭；8-油出口；9-裙座</p><p>　　

55、圖3.2 高壓分離罐結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.2.1 材料[8]</p><p>　　高壓分離罐內(nèi)壁長(zhǎng)期經(jīng)受高溫高壓的氫氣和硫化氫氣體，其材料應(yīng)具備抗高溫腐蝕、抗蠕變，抗氧化和抗氫腐蝕的四抗能力，并應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度。因此，要選用抗氫蝕性能良好的合金鋼。目前，幾乎都采用能抗氫蝕的Cr-Mo鋼作為主體材料，但從抗氫腐蝕性能、抗蠕變性能和最高使用溫度限制方面，仍滿足不了某些場(chǎng)合需求，特別是

56、隨著加氫工藝技術(shù)、尤其是渣油加氫改質(zhì)煤加氫液化工藝的發(fā)展，加氫反應(yīng)器的尺寸越來越大，設(shè)計(jì)條件更加苛刻，若仍采用一般的Cr-Mo鋼來制造，勢(shì)必會(huì)造成壁厚太厚，導(dǎo)致單臺(tái)反應(yīng)器重量過大，給制造、安裝、運(yùn)輸帶來極大的困難，使綜合投資大幅度增加，為此有必要開發(fā)強(qiáng)度和使用溫度更高，抗氫性能更好的新型Cr-Mo鋼種。Cr-Mo-V鋼正是在此基礎(chǔ)上開發(fā)出來的新鋼種，這種新型Cr-Mo鋼與普通Cr-Mo鋼相比，各方面都有明顯的優(yōu)越，強(qiáng)度及許用應(yīng)力、最高使

57、用溫度、抗氫性能提高，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型Cr-Mo-V鋼會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　3.2.2 筒體[8]</p><p>　　高壓分離罐筒體的結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種是單層厚板卷焊結(jié)構(gòu)，稱板焊結(jié)構(gòu)；另一種是單層鍛造筒節(jié)焊接結(jié)構(gòu)，稱鍛焊結(jié)構(gòu)。當(dāng)分離罐內(nèi)壓力較低、筒體直徑較小、壁厚較薄時(shí)，多采用板焊結(jié)構(gòu)。而當(dāng)壓力高，直徑大，壁厚很厚時(shí)，多采用鍛焊結(jié)構(gòu)。</p&g

58、t;<p>　　鍛焊結(jié)構(gòu)比較理想，其主要優(yōu)點(diǎn)是：在制造過程中鍛坯需經(jīng)墩粗，而沖孔可以除去中心部位的偏析和夾渣，提高反應(yīng)器抗氫蝕能力，材料均勻性好。由于需要機(jī)加工，提高了筒節(jié)相關(guān)尺寸的精度，既方便組裝，又減小加工殘余應(yīng)力。結(jié)構(gòu)上可為分離器內(nèi)部構(gòu)件的支撐圈設(shè)計(jì)創(chuàng)造有利條件，以提高此部位的抗裂能力。</p><p><b>　　3.2.3 封頭</b></p><

59、p>　　高壓分離罐的封頭為球形封頭，與其他各種形式的封頭相比較，球形封頭可以設(shè)計(jì)稱壁厚最小，減輕了設(shè)備質(zhì)量。高壓分離罐的球形封頭一般為非標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列封頭，為了降低制造成本，高壓分離罐上、下封頭常采用相同的封頭內(nèi)徑。</p><p><b>　　3.3.4 裙座</b></p><p>　　高壓分離罐采用裙座結(jié)構(gòu)支承。裙座的形式根據(jù)承受載荷情況不同，可分為圓筒形和

60、圓錐形兩類。圓筒形裙座制造方便，經(jīng)濟(jì)上合理，故應(yīng)用廣泛，但對(duì)于受力情況比較差。為防止風(fēng)載荷或地震載荷引起的彎距造成殼體翻倒，則需要配置較多的地腳螺栓及具有足夠大的承載面積的基礎(chǔ)環(huán)。此時(shí)，圓筒形裙座的結(jié)構(gòu)尺寸往往滿足不了這么多地腳螺栓的合理布置，因而只能采用圓錐形裙座。</p><p>　　裙座不管是圓筒形還是圓錐形，均有裙座筒體，基礎(chǔ)環(huán)，地腳螺栓，人孔，排氣孔，引出管通道，保溫支承圈等組成。裙座與殼體焊接于封頭的

61、焊接接頭可分為對(duì)接及搭接。采用對(duì)接接頭時(shí)，裙座筒體外與罐體下封頭外徑相等，焊縫必須采用全熔透的連續(xù)焊[8]。</p><p>　　4 高壓分離罐應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核</p><p>　　4.1 分析設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介[8]</p><p>　　目前壓力容器設(shè)計(jì)有兩大類標(biāo)準(zhǔn)，一類是常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以美國(guó)ASME-Ⅷ-1《壓力容器建造》和我國(guó)GB150《鋼制壓力容器》為代表；另一類是

62、分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以美國(guó)ASME-Ⅷ-2《壓力容器建造另一規(guī)則》和我國(guó)JB4732《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為代表。</p><p>　　常規(guī)設(shè)計(jì)只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜力載荷處理，不考慮交變載荷，也不區(qū)分短期載荷和永久載荷，因而不涉及容器的疲勞壽命問題。常規(guī)設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，并不是建立在詳細(xì)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，它僅計(jì)算沿容器壁厚的薄膜應(yīng)力，只有彎曲應(yīng)力特別顯著、起主導(dǎo)作用時(shí)才予以

63、考慮。顯然，這種做法的不足之處在于沒有對(duì)容器重要區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格而詳細(xì)的計(jì)算，從而也就無法對(duì)不同部位、由不同載荷引起、對(duì)容器失效有不同影響的應(yīng)力加以不同的限制。</p><p>　　為克服常規(guī)設(shè)計(jì)的局限性，1965年美國(guó)頒布了首部分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過40多年的發(fā)展，分析設(shè)計(jì)的內(nèi)涵不斷得到擴(kuò)充和調(diào)整。分析設(shè)計(jì)是以塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)、采用精細(xì)的力學(xué)分析手段的壓力容器設(shè)計(jì)方法。目前，分析設(shè)計(jì)主要包括應(yīng)力分類法和基于失效

64、模式的直接法。</p><p>　　常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)之間既有獨(dú)立性又有互補(bǔ)性。兩者的獨(dú)立性表現(xiàn)為：常規(guī)設(shè)計(jì)能獨(dú)立完成的設(shè)計(jì)，可以直接應(yīng)用，而不必再做分析設(shè)計(jì)；分析設(shè)計(jì)所完成的設(shè)計(jì)，也不受常規(guī)設(shè)計(jì)能否通過的影響。兩者的互補(bǔ)性表現(xiàn)為：常規(guī)設(shè)計(jì)不能獨(dú)立完成的設(shè)計(jì)(如疲勞分析、復(fù)雜幾何形狀和載荷情況)，可以用分析設(shè)計(jì)來補(bǔ)充完成。反之，分析設(shè)計(jì)也常借助常規(guī)設(shè)計(jì)的公式來確定不見的初步設(shè)計(jì)方案，然后再做詳細(xì)分析。但是，常規(guī)設(shè)

65、計(jì)與分析設(shè)計(jì)不能混用。常規(guī)設(shè)計(jì)與分析設(shè)計(jì)的對(duì)比參見表4.1。</p><p>　　表4.1 常規(guī)設(shè)計(jì)與分析設(shè)計(jì)對(duì)比</p><p>　　4.2 應(yīng)力分類[8～9]</p><p>　　將應(yīng)力進(jìn)行分類是分析設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)的一大區(qū)別。B.F.Langer根據(jù)應(yīng)力分析所得到的的各種性質(zhì)不同的應(yīng)力提出：如果能對(duì)容器中的應(yīng)力分布進(jìn)行具體分析，那就不需要采用單一的許用應(yīng)力限制，

66、而是根據(jù)應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中的具體部位和分布情況及應(yīng)力產(chǎn)生的原因、危害性等，分別采用不同的許用應(yīng)力限制。例如：承受內(nèi)壓的容器，當(dāng)內(nèi)壓逐漸增大，器壁中的薄膜應(yīng)力不斷上升，當(dāng)環(huán)向壓力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，若不考慮材料的應(yīng)變硬化，則壁厚開始減薄，直徑變大，最終會(huì)發(fā)生爆裂。因此，內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力必須限制在屈服應(yīng)力以下。但在缺口處，盡管局部應(yīng)變已經(jīng)比屈服應(yīng)變高出幾倍，只要材料是延性的，而載荷又不過多地反復(fù)循環(huán)導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生，即使達(dá)到屈服點(diǎn)，出現(xiàn)塑性變

67、形，結(jié)構(gòu)仍然是安全的。而在局部不連續(xù)處(如：開孔接管)盡管局部應(yīng)變已較屈服應(yīng)變高出很多，但只要材料有足夠的延性，而載荷又不反復(fù)交變致使裂紋萌生，則在上述狀態(tài)下仍很安全。還有一些應(yīng)力如：溫度應(yīng)力，它在結(jié)構(gòu)內(nèi)是自平衡的，無須平衡外部載荷，達(dá)到屈服反而可以幫助材料去克服強(qiáng)加的變形形式；再如封頭與筒體由于變形不協(xié)調(diào)所引起的應(yīng)力等等，它們都不具有同一性質(zhì)，不屬于同一類型，應(yīng)予以區(qū)別對(duì)</p><p>　　壓力容器應(yīng)力分類的

68、依據(jù)是應(yīng)力對(duì)壓力容器強(qiáng)度失效所起作用的大小。這種作用又取決于下列兩個(gè)因素：①應(yīng)力產(chǎn)生的原因，即應(yīng)力是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的，外載荷是機(jī)械載荷還是熱載荷；②應(yīng)力作用的區(qū)域與分布形式，即應(yīng)力的作用是總體范圍還是局部范圍的，是沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性的。</p><p>　　目前，比較通用的應(yīng)力分類方法是將壓力容器中的應(yīng)力分為三大類：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力三大類。下面分別予以介紹

69、。</p><p>　　4.2.1 一次應(yīng)力P</p><p>　　一次應(yīng)力是指平衡外加機(jī)械載荷所必須的應(yīng)力。一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會(huì)因達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度而自行限制，所以，一次應(yīng)力的基本特征是“非自限性”。另外，當(dāng)一次應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)將引起容器總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞。因此，必須防止發(fā)生過度的塑性變形，并為爆破或蠕變失效留有足夠的

70、裕度。</p><p>　　一次應(yīng)力有三種類型：一次總體薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力和一次局部薄膜應(yīng)力。</p><p>　　(1)一次總體薄膜應(yīng)力Pm，是在所研究的截面厚度上均勻分布的，且等于該截面應(yīng)力平均值的法向應(yīng)力(即正應(yīng)力)的分量。如果這種應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，將引起截面整體屈服，不出現(xiàn)荷載的再分配，而是直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。</p><p>　　(2)一次彎曲應(yīng)力Pb

71、，是指沿厚度線性分布的應(yīng)力。它在內(nèi)、外表面上大小相等、方向相反。由于沿厚度線性分布，隨外載增大，故首先是內(nèi)、外表面進(jìn)入屈服，但此時(shí)內(nèi)部材料仍處于彈性狀態(tài)。若載荷繼續(xù)增大，應(yīng)力沿厚度的分布將重新調(diào)整。因此這種應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效的危害性沒有一次總體薄膜應(yīng)力那樣大。</p><p>　　(3)一次局部薄膜應(yīng)力PL，是由內(nèi)壓或其它機(jī)械荷載產(chǎn)生的，由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)或其它特殊情況的影響而在管道或附件的局部區(qū)域有所增強(qiáng)的一次薄膜

72、應(yīng)力。這類應(yīng)力雖然具有二次應(yīng)力的一些特征，但為安全計(jì)，通常仍劃為一次應(yīng)力。這種應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，只引起局部屈服，塑性應(yīng)變?nèi)匀皇艿街車鷱椥圆牧系募s束，所以屈服是允許的。例如，在固定支架處或接管連接處由于外載產(chǎn)生的一次薄膜應(yīng)力，通常劃為一次局部薄膜應(yīng)力。</p><p>　　4.2.2 二次應(yīng)力Q</p><p>　　二次應(yīng)力是由于變形受約束所產(chǎn)生的正應(yīng)力或切應(yīng)力。它本身不直接與外力相平衡。

73、二次應(yīng)力的特征是有自限性的，當(dāng)局部屈服和產(chǎn)生小量塑性變形就能使應(yīng)力降低下來。對(duì)于塑性良好的壓力容器，一般在初次加載時(shí)，二次應(yīng)力不會(huì)直接導(dǎo)致破壞，只有當(dāng)應(yīng)變?cè)诙啻沃貜?fù)交變的情況下，才引起管道疲勞破壞。因此，對(duì)于二次應(yīng)力的限定，并不取決于一個(gè)期間的應(yīng)力水平，而是取決于交變的應(yīng)力范圍和交變循環(huán)的次數(shù)。</p><p>　　壓力容器由熱脹、冷縮和其它位移受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力。但是，在彈性轉(zhuǎn)移較大時(shí)，這一類應(yīng)力

74、與一次應(yīng)力的作用相近。</p><p>　　壓力容器由于溫度不均勻的縱向溫度梯度或內(nèi)外壁徑向溫度梯度所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，以及與連接部件有不同的金屬特性(線膨脹系數(shù)不同)而產(chǎn)生的熱應(yīng)力(或稱總體熱應(yīng)力)屬于二次應(yīng)力。二次應(yīng)力也有二次薄膜應(yīng)力和二次彎曲應(yīng)力兩部分。</p><p>　　4.2.3 峰值應(yīng)力F</p><p>　　峰值應(yīng)力是管道或附件由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部

75、熱應(yīng)力效應(yīng)(包括局部應(yīng)力集中)附加到一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的增量。它的特點(diǎn)是不引起顯著的變形，而且在短距離內(nèi)從它的根源衰竭，它是一種導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因。</p><p>　　例如，壓力容器由于溫度分布不均勻，不同膨脹幾乎全部被限制，不引起顯著變形的局部熱應(yīng)力，以及附件上小半徑圓角處、焊縫未焊透處的應(yīng)力，均屬于峰值應(yīng)力。</p><p>　　4.3 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定方法[10]<

76、/p><p>　　如圖4.1，依據(jù)JB4732-95，在只考慮壓力載荷的條件下，應(yīng)力強(qiáng)度值應(yīng)依次滿足下列各條對(duì)許用極限的規(guī)定：</p><p>　　(1)一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI的許用極限為KStm；</p><p>　　(2)一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SII的許用極限為1.5KStm；</p><p>　　(3)一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SIII的許

77、用極限為1.5KStm；</p><p>　　(4)一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SIV的許用極限為3KStm。</p><p>　　注：Stm為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，在本設(shè)計(jì)中K取1。</p><p><b>　　4.4 設(shè)計(jì)條件</b></p><p>　　某公司制造的某臺(tái)高壓分離罐，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。本章采用有限元分析方法并結(jié)合

78、JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求對(duì)高壓分離罐上封頭、油氣入口以及裙座處等應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行了詳盡的應(yīng)力分析和全面的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的標(biāo)注，該設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表4.2所示。</p><p><b>　　表4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)GB150-2011[11]，查得筒體

79、及封頭材料性能如表4.3所示。</p><p><b>　　表4.3 材料性能</b></p><p>　　分離罐規(guī)格為φ1800*(6.5+110)，筒體最小壁厚110mm，半球形封頭最小壁厚80mm?？紤]到分離罐內(nèi)壁有6.5mm堆焊覆層，覆層力學(xué)性能不好。因此，作如下簡(jiǎn)化：建立分析模型時(shí)取筒體規(guī)格為φ1813*110。</p><p>　　

80、4.5 高壓分離罐應(yīng)力分析</p><p>　　4.5.1 上封頭[12]</p><p>　　根據(jù)上封頭處的結(jié)構(gòu)特性和受力特點(diǎn)，采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)建立平面模型進(jìn)行應(yīng)力分析。幾何結(jié)構(gòu)見圖4.2。</p><p>　　圖4.2 上封頭幾何結(jié)構(gòu)</p><p>　　(1)建立幾何模型及網(wǎng)格劃分</p><p>　　打開ANSY

81、S軟件，進(jìn)入工作界面，建立上封頭幾何模型。由于繪制平面圖，所以先繪制關(guān)鍵點(diǎn)，然后通過線連接關(guān)鍵點(diǎn)建模。為了方便選取關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，可以先在AutoCAD軟件中繪出圖形，并記錄關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)。繪制時(shí)應(yīng)注意坐標(biāo)的選取，使坐標(biāo)原點(diǎn)位于封頭圓心處，便于封頭的繪制。當(dāng)線連接完成后，把需要圓滑過渡的地方進(jìn)行圓角命令，這樣，初始圖形就繪制出來了。接下來的工作是要?jiǎng)?chuàng)建面，可以通過線進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后的模型如圖4.3所示。</p><p&

82、gt;　　圖4.3 上封頭幾何模型</p><p>　　建立模型后，應(yīng)用ANSYS網(wǎng)格劃分命令里的網(wǎng)格劃分工具來劃分結(jié)構(gòu)單元。由于此結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，所以采用Free命令來劃分自動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格大小預(yù)先設(shè)置為10。對(duì)于結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。整體劃分完成后如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 上封頭網(wǎng)格劃分</p><p><b>　　

83、(2)加載與約束</b></p><p>　　當(dāng)網(wǎng)格劃分完成后，就需要對(duì)模型施加載荷和約束條件。進(jìn)入到求解命令里，找到定義載荷，進(jìn)入應(yīng)用里面的結(jié)構(gòu)，開始進(jìn)行定義。具體邊界條件為：</p><p>　　①分析模型底部：△Y=0；</p><p>　　②上端法蘭處：Fp1=-5.55MPa；</p><p>　?、蹥んw內(nèi)表面：Pd=1

84、6.6MPa。</p><p>　　定義載荷和約束條件后的模型圖如下圖4.5所示：</p><p>　　圖4.5 上封頭載荷分布和約束條件</p><p><b>　　(3)求解</b></p><p>　　載荷和約束條件都定義完成后，就可以進(jìn)行求解了。進(jìn)入求解命令，進(jìn)行求解。求解完成后顯示整體變形圖，位移矢量圖和應(yīng)力分

85、布圖，如圖4.6，圖4.7和圖4.8所示。</p><p>　　圖4.6 上封頭整體變形圖</p><p>　　圖4.7 上封頭位移矢量圖</p><p>　　圖4.8 上封頭應(yīng)力分布圖</p><p>　　由應(yīng)力分布圖我們可知，在封頭和法蘭連接處，封頭和筒體連接處，法蘭拐角處應(yīng)力較大。而且可以發(fā)現(xiàn)，在筒體上的應(yīng)力分布較均勻，這是由周向應(yīng)力所

86、決定的。而封頭上的應(yīng)力基本比筒體上的要小，而這是由于封頭材料厚度大于筒體厚度。</p><p>　　由變形圖可知，在法蘭和封頭連接處，法蘭的拐角處和封頭與筒體連接處變形較大，這是有應(yīng)力分布情況和模型形狀決定的。</p><p><b>　　(4)應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定</b></p><p>　　在分析模型的關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，也就是應(yīng)力比較集中的

87、部位和應(yīng)力較大且模型尺寸有過渡的地方，還有在拐角區(qū)域的應(yīng)力也比較大，也同樣需要校核。用節(jié)點(diǎn)法定義路徑，找到應(yīng)力集中的部位，在法蘭與接管，封頭與接管，封頭截面，封頭與筒體，筒體截面等處建立5條應(yīng)力強(qiáng)度校核路徑，如圖4.9。應(yīng)力分析結(jié)果見附件1。</p><p>　　圖4.9 上封頭應(yīng)力強(qiáng)度校核路徑</p><p>　　按JB4732-95的分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，即一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度的許

88、用極限為1倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限為1.5倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。從ANSYS的后處理中提取出了以上5條分析路徑上的薄膜應(yīng)力強(qiáng)度和薄膜加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度。對(duì)圓筒、球殼和球形封頭，取遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)突變區(qū)路徑上求解的薄膜應(yīng)力，可視為一次總體薄膜應(yīng)力。而對(duì)結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域的薄膜應(yīng)力可視為局部薄膜應(yīng)力。分析校核結(jié)果列于表4.5中。</p><p>　　表4.5 應(yīng)力分析結(jié)果</p><p&

89、gt;　　由以上計(jì)算結(jié)果可知，按JB4732-95的分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，高壓分離罐上封頭處設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　4.5.1 油氣入口開孔[5]</p><p>　　油氣入口是高壓分離罐的關(guān)鍵內(nèi)構(gòu)件，加氫反應(yīng)通常采用加入冷氫的方法控制床層溫度。根據(jù)冷氫箱開孔處的結(jié)構(gòu)特性和受力特點(diǎn)，采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，建立立體模型，幾何結(jié)構(gòu)見圖4.10。</p><

90、p>　　圖4.10 油氣入口開孔處幾何結(jié)構(gòu)</p><p>　　(1)建立幾何模型及網(wǎng)格劃分</p><p>　　打開ANSYS軟件，進(jìn)入工作界面，建立油氣入口幾何模型。此結(jié)構(gòu)需要建立立體模型，我們先建立半圓筒模型。然后通過布爾運(yùn)算，對(duì)各實(shí)體進(jìn)行處理建模。繪制時(shí)需注意坐標(biāo)的位置，繪制接管時(shí)應(yīng)平移和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，使接管的軸向與坐標(biāo)系Z軸方向平行。模型完成后，把需要圓滑過渡的地方進(jìn)行圓角命

91、令。創(chuàng)建完成后的模型如圖4.11所示。</p><p>　　圖4.11 油氣入口幾何模型</p><p>　　建立模型后，應(yīng)用ANSYS網(wǎng)格劃分命令里的網(wǎng)格劃分工具來劃分結(jié)構(gòu)單元。由于此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以需要自行設(shè)置網(wǎng)格份數(shù)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整體劃分完成后如圖4.12所示。</p><p>　　圖4.12 油氣入口網(wǎng)格劃分</p><p>

92、<b>　　(2)加載與約束</b></p><p>　　當(dāng)網(wǎng)格劃分完成后，就需要對(duì)模型施加載荷和約束條件。進(jìn)入到求解命令里，找到定義載荷，進(jìn)入應(yīng)用里面的結(jié)構(gòu)，開始進(jìn)行定義。具體邊界條件為：</p><p>　　①筒體模型上側(cè)：全約束；</p><p>　?、谕搀w模型下側(cè)：對(duì)稱約束；</p><p>　?、蹖?duì)稱面：對(duì)稱約

93、束；</p><p>　　④接管左端處：Fp2=-2.42MPa；</p><p>　?、萃搀w及接管內(nèi)表面：Pd=16.6MPa。</p><p>　　定義載荷和約束條件后的模型圖如下圖4.13所示。</p><p>　　圖4.13 油氣入口載荷分布和約束條件</p><p><b>　　(3)求解</

94、b></p><p>　　載荷和約束條件都定義完成后，就可以進(jìn)行求解了。進(jìn)入求解命令，進(jìn)行求解。求解完成后顯示整體變形圖和位移矢量圖和應(yīng)力分布圖，如圖4.14，圖4.15和圖4.16所示。</p><p>　　圖4.14 油氣入口整體變形圖</p><p>　　圖4.15 油氣入口位移矢量和</p><p>　　圖4.16 油氣入口應(yīng)力

95、分布圖</p><p>　　由應(yīng)力分布圖我們可知，筒體開孔處處應(yīng)力較大。而且可以發(fā)現(xiàn)，在筒體上的應(yīng)力分布較均勻，這是由周向應(yīng)力所決定的。</p><p><b>　　(4)應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定</b></p><p>　　在分析模型的關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，也就是應(yīng)力比較集中的部位和應(yīng)力較大且模型尺寸有過渡的地方，還有在拐角區(qū)域的應(yīng)力也比較大，也同樣

96、需要校核。用節(jié)點(diǎn)法定義路徑，找到應(yīng)力集中的部位，在接管截面，筒體與接管連接處，筒體截面等建立4條應(yīng)力強(qiáng)度校核路徑，如圖4.17。應(yīng)力分析結(jié)果見附件2。</p><p>　　圖4.17 油氣入口應(yīng)力強(qiáng)度校核路徑</p><p>　　在JB4732-95中查到高分罐材料12Cr2Mo1R的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Stm為165MPa。按JB4732-95的分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核。從ANSYS的后處理

97、中提取出了以上4條分析路徑上的薄膜應(yīng)力強(qiáng)度和薄膜加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度。分析校核結(jié)果列于表4.6。</p><p>　　表4.6 應(yīng)力分析結(jié)果</p><p>　　由以上計(jì)算結(jié)果可知，按JB4732-95的分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，高壓分離罐油氣入口開孔處設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　4.5.3 裙座[13]</p><p>　　由于研

98、究裙座處的應(yīng)力分布情況，所以忽略下封頭上的反應(yīng)物出口和催化劑卸料口。根據(jù)裙座處的結(jié)構(gòu)特性和受力特點(diǎn)，采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)建立平面模型進(jìn)行應(yīng)力分析。裙座幾何結(jié)構(gòu)見圖4.18。</p><p>　　圖4.18 裙座幾何結(jié)構(gòu)</p><p>　　(1)建立幾何模型及網(wǎng)格劃分</p><p>　　打開ANSYS軟件，進(jìn)入工作界面，建立幾何模型。由于繪制平面圖，所以先繪制關(guān)鍵點(diǎn)，然

99、后通過線連接關(guān)鍵點(diǎn)建模。繪制時(shí)應(yīng)注意坐標(biāo)的選取，使坐標(biāo)原點(diǎn)位于封頭圓心處，便于封頭的繪制。當(dāng)線連接完成后，把需要圓滑過渡的地方進(jìn)行圓角命令，這樣，初始圖形就繪制出來了。接下來的工作是要?jiǎng)?chuàng)建面，可采用線圍成面的方式進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后的模型如圖4.19所示。</p><p>　　圖4.19 裙座分析模型</p><p>　　建立模型后，應(yīng)用ANSYS網(wǎng)格劃分命令里的網(wǎng)格劃分工具來劃分結(jié)構(gòu)單元

100、。由于此平面結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，所以采用Free命令來劃分自動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格大小都設(shè)置為10。對(duì)于結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。整體劃分完成后如圖4.20所示。</p><p>　　圖4.20 裙座網(wǎng)格劃分</p><p><b>　　(2)加載與約束</b></p><p>　　當(dāng)網(wǎng)格劃分完成后，就需要對(duì)模型施加載荷和約束條件。進(jìn)入到求解命

101、令里，找到定義載荷，進(jìn)入應(yīng)用里面的結(jié)構(gòu)，開始進(jìn)行定義。具體邊界條件為：</p><p>　?、偃棺撞浚骸鱕=0；</p><p>　?、谙路忸^對(duì)稱截面處：△X=0；</p><p>　?、垌敹朔ㄌm處：Fp=-64.497MPa；</p><p>　?、軞んw內(nèi)表面：Pd=16.6MPa。</p><p>　　定義載荷

102、和約束條件后的模型圖如下圖4.21所示：</p><p>　　圖4.21 裙座載荷分布和約束條件</p><p><b>　　(3)求解</b></p><p>　　載荷和約束條件都定義完成后，就可以進(jìn)行求解了。進(jìn)入求解命令，進(jìn)行求解。求解完成后顯示整體變形圖和位移矢量圖和應(yīng)力分布圖，如圖4.22，圖4.23和圖4.24所示。</p>

103、;<p>　　圖4.22 裙座整體變形圖</p><p>　　圖4.23 裙座位移矢量圖</p><p>　　圖4.24 裙座應(yīng)力分布圖</p><p>　　由應(yīng)力分布圖我們可知，在封頭和筒體連接處以及裙座處處應(yīng)力較大。而且可以發(fā)現(xiàn)，在筒體上的應(yīng)力分布較均勻，這是由周向應(yīng)力所決定的。</p><p><b>　　(4)

104、應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定</b></p><p>　　在分析模型的關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，也就是應(yīng)力比較集中的部位和應(yīng)力較大且模型尺寸有過渡的地方，還有在拐角區(qū)域的應(yīng)力也比較大，也同樣需要校核。用節(jié)點(diǎn)法定義路徑，找到應(yīng)力集中的部位，筒體截面，封頭與筒體連接處，裙座截面，封頭截面等處建立5條應(yīng)力強(qiáng)度校核路徑，如圖4.25。應(yīng)力分析結(jié)果見附件3。</p><p>　　圖4.25 裙座應(yīng)力強(qiáng)度

105、校核路徑</p><p>　　按JB4732-95的分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，即一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限為1倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限為1.5倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。從ANSYS的后處理中提取出了以上5條分析路徑上的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度和一次薄膜加一次彎曲。對(duì)圓筒、球形封頭，取遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)路徑上求解的薄膜應(yīng)力，可視為一次總體薄膜應(yīng)力。而對(duì)結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域的薄膜應(yīng)力可視為局部薄膜應(yīng)力。應(yīng)力強(qiáng)

106、度分析結(jié)果列于表4.7。</p><p>　　表4.7 應(yīng)力分析結(jié)果</p><p>　　由以上計(jì)算結(jié)果可知，按JB4732-95的分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，高壓分離罐裙座處設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本論文首先對(duì)有限元法、ANSYS軟件及高壓分離罐進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述

107、。然后結(jié)合實(shí)例，對(duì)某高壓分離罐的高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行了應(yīng)力分析及校核。最后得出該高壓分離罐設(shè)計(jì)合格的分析結(jié)果。</p><p>　　由于基于彈性失效準(zhǔn)則的常規(guī)設(shè)計(jì)方法的局限性，它已不能完全適應(yīng)工程設(shè)計(jì)的要求。本設(shè)計(jì)采用的基于塑性失效準(zhǔn)則的分析設(shè)計(jì)的方法，并使用有限元軟件ANSYS大大提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性。對(duì)一些大型的、重要的容器，采用分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，既可以減薄厚度，降低容器重量，又可以提高容器的安全可靠性。利用有限元

108、法進(jìn)行分析設(shè)計(jì)不但可以保證壓力容器的高質(zhì)量，而且能進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，將越來越多的應(yīng)用到現(xiàn)代容器的設(shè)計(jì)中。</p><p>　　為了得到更加精確的分析結(jié)果，本文可做以下改進(jìn)：①考慮筒體內(nèi)堆焊覆層的影響，設(shè)定堆焊層的材料參數(shù)；②建立幾何模型時(shí)，加入其他接管的影響；③在對(duì)裙座應(yīng)力分析時(shí)考慮熱應(yīng)力的影響，進(jìn)行應(yīng)力疊加。</p><p>　　使用ANSYS進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)，需要建立分析模型、劃分網(wǎng)格以

109、及施加載荷和約束，因此以上任意部分的缺陷都會(huì)影響最終的分析結(jié)果。由于本人水平所限，在設(shè)計(jì)說明和應(yīng)力分析校核時(shí)難免存在不妥之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]P.H.W. Ridley,G.W. Roberts.Finite element modelling of nanoelements[J].Jou