承壓設(shè)備應(yīng)力分析大作業(yè)匯總

1、DN800 容器應(yīng)力分析報(bào)告Stress Analysis Report浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所Institute of Process Equipment， Zhejiang UniversityApr., 2014DN800 容器應(yīng)力分析報(bào)告Stress Analysis Report計(jì)算編制：高曉斐 21328016(PRE.)校 核：(CHK.)審 核：(REV.)批 準(zhǔn)：(APR.)浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所Institute of Process Equipment， Zhejiang UniversityIIApr., 2014目錄1 設(shè)計(jì)依據(jù) 12.1 用戶委托數(shù)據(jù)（表 1） 22.

2、2 計(jì)算條件 2設(shè)計(jì)工況下的載荷計(jì)算條件（表 2） 2設(shè)計(jì)工況下的材料性能（表 3） 3正常操作工況疲勞計(jì)算條件（表 4） 33 罐體主要部件厚度的初步計(jì)算 43.1 筒體厚度 43.2 封頭厚度 43.3 開孔接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸的初步確定 44 分析與計(jì)算 54.1 分析方法 54.2 力學(xué)計(jì)算 5力學(xué)模型 54.2.2 邊界條件 74.2.3 設(shè)計(jì)工況計(jì)算 84.2.4 應(yīng)力線性化 105 應(yīng)力強(qiáng)度評定 106 疲勞強(qiáng)度評定 137 結(jié)論 148 技術(shù)要求 15附錄 1：模型設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力線性化數(shù)據(jù) 16III1 設(shè)計(jì)依據(jù)1）TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程2）JB

3、4732-95鋼制壓力容器 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) （2005年確認(rèn)版 ）3）承壓設(shè)備課程大作業(yè)提供的容器參數(shù)。2 設(shè)計(jì)參數(shù)與載荷分析2.1 用戶委托數(shù)據(jù)（表 1）設(shè)計(jì)參數(shù)和條件如表 1 所示。表 1 容器設(shè)計(jì)參數(shù)與條件表設(shè)計(jì)壓力/MPa1.0操作壓力/MPa0.20.8設(shè)計(jì)溫度/250試驗(yàn)溫度/20腐蝕裕量/mm2接管 N1 材料16Mn 筒體直徑/mm2000封頭類型標(biāo)準(zhǔn)橢圓形年交變次數(shù) （正常工作 ）/次365×2=730設(shè)計(jì)壽命15 年總循環(huán)次數(shù)/次730×15=109502.2 計(jì)算條件2.2.1 設(shè)計(jì)工況下的載荷計(jì)算條件（表 2）表 2 設(shè)計(jì)工況下的載荷計(jì)算條件表設(shè)計(jì)工況

4、溫度/250壓力 /MPa1.02.2.2 設(shè)計(jì)工況下的材料性能（表 3）表 3 設(shè)計(jì)工況下材料性能表（泊松比取0.3 ）設(shè)計(jì)工況筒體 Q345RSm 1/MPa167( 616 mm )E/MPa1.88 ×105封頭 Q345RSm 2 /MPa167( 616 mm )E/MPa1.88 ×105接管Sm3/MPa16716Mn 鍛件E/MPa51.88 ×1052.2.3 正常操作工況疲勞計(jì)算條件（表 4）表 4 正常操作工況疲勞計(jì)算條件表設(shè)計(jì)壽命15 年總循環(huán)次數(shù)變壓工況10950設(shè)備正常工作時加壓、卸壓， 年交變工況為 730 次，設(shè)計(jì)壽命為 15 年

5、，總 循環(huán)次數(shù)為 10950。3 罐體主要部件厚度的初步計(jì)算采用 JB4732-95（2005 年確認(rèn)版）的有關(guān)計(jì)算公式求得各部件厚度。因物料密 度較小，不考慮介質(zhì)靜壓。取鋼板負(fù)偏差 C1=0.3。.3.1 筒體厚度計(jì)算厚度：=6.01 mmpcDi= 1.0 20002KSm pc = 2 167 - 1.0式中：K為載荷組合系數(shù)取 1.0，pc為筒體計(jì)算壓力取 1.0 MPa，Sm1為 Q345R（小 于 16mm）設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度取 167 MPa。設(shè)計(jì)厚度： d=+C2=6.01+2=8.01 mm名義厚度：取 n=10 mm。要求筒體成形后最小厚度為 9.7 mm，則實(shí)際建模壁厚為 7.

6、7mm。3.2 封頭厚度標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度，按 JB4732-95鋼制壓力容器 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) （2005年確認(rèn)版）圖 7-1中參數(shù)為 r / Di =0.17的曲線確定。P 1.0由 c 0.005988 ，查得0.0048，得8.64mm。KSm2 1 167Ri式中：Ri0.9Di 0.9 2000 1800mm；K 為載荷組合系數(shù)取 1.0；pc為封頭計(jì)算壓力取 1.0 MPa；Sm1為Q345R（616 mm）設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度取 167 MPa。 設(shè)計(jì)厚度： d=+C2=8.64+2=10.64 mm名義厚度：取 n=6 mm要求封頭成形后最小厚度為 10.56 mm，則實(shí)際建模壁厚

7、為 8.6 mm。3.3 開孔接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸的初步確定 設(shè)計(jì)條件中，壓力變化幅度大、交變次數(shù)多，結(jié)構(gòu)尺寸主要由疲勞載荷確定。 為降低制造成本，本設(shè)計(jì)采用厚壁管來提高設(shè)備的疲勞壽命。表 5 列出各開孔接管的尺寸參數(shù)。表 5 開孔厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸（ mm）序號接管位置接管內(nèi) 直徑厚壁管 外徑×壁厚伸出 長度角焊縫 高度數(shù)量接管 N1上封頭中心徑向開孔11001180×402002514 分析與計(jì)算4.1 分析方法采用 ANSYS15 軟件，使用 N-mm-Pa 單位制。完整的結(jié)構(gòu)分析應(yīng)考慮以下載荷：壓力作用，液柱靜壓力作用超過設(shè)計(jì)壓 力的 5 %時應(yīng)計(jì)及液柱靜壓的作用；設(shè)

8、備的自重作用 , 還有其他載荷。力學(xué)模型 ：含筒體、封頭、接管，使用 solid45 單元。主要考核上封頭和筒體的連接處以 及封頭上接管。 對于靜強(qiáng)度分析， 查看殼體所有結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的應(yīng)力情況， 得 出殼體中性面和內(nèi)、 外表面的應(yīng)力強(qiáng)度值， 依據(jù)強(qiáng)度判定準(zhǔn)則， 進(jìn)行應(yīng)力分類校 核。對于疲勞分析， 考慮在變壓情況下疲勞循環(huán)設(shè)計(jì)操作次數(shù) 10950 次，根據(jù)工 作載荷和工作溫度循環(huán)下由模型計(jì)算的 Sv 值，查疲勞曲線，得到工作許用循環(huán) 操作次數(shù)， 將其與設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)進(jìn)行比較， 從而判斷該容器能否滿足疲勞強(qiáng)度要 求。完整的塔分析應(yīng)考慮以下載荷：壓力載荷，液柱靜壓力作用超過設(shè)計(jì)壓力 的 5 %時應(yīng)計(jì)

9、及液柱靜壓的作用；罐的自重載荷；接管引起的載荷與偏心載 荷。因?yàn)橥獠抗芫€固定良好且對接管的作用力相對于罐內(nèi)壁所受內(nèi)壓來說很小， 所以本項(xiàng)目計(jì)算時不考慮外部管線對接管的附加作用力以及偏心載荷?；谝陨戏治?，本設(shè)備整體模型主要計(jì)算以下工況：設(shè)計(jì)工況 +自重 對于靜強(qiáng)度分析，查看殼體所有結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的應(yīng)力情況，得出殼體中性 面和內(nèi)、外表面的應(yīng)力強(qiáng)度值，依據(jù)強(qiáng)度判定準(zhǔn)則，進(jìn)行應(yīng)力分類校核。建模時，筒體、封頭和接管等受壓元件均采用有效厚度或成形后最小厚度減 腐蝕裕量。例如，筒體內(nèi)徑 2000mm，成形后最小厚度為 7.7 mm，則分析模型 中的接管內(nèi)徑為 1100 mm、外徑為 1180 mm。4.2

10、 力學(xué)計(jì)算力學(xué)模型力學(xué)整體模型與傳熱整體模型相同，如圖 1 所示，包括部分筒體、上橢圓形 封頭、開孔接管。有限元建模時， 建立四分之一整體模型， 采用實(shí)體單元 solid45， 網(wǎng)格劃分如圖 23，模型總共劃分了 68230個單元， 81371個節(jié)點(diǎn)。圖2 網(wǎng)格總體劃分圖6圖3 局部網(wǎng)格劃分圖邊界條件接管端圖 4 中，整體施加重力加速度， 所有與操作介質(zhì)接觸面施加內(nèi)壓力， 面施加等效拉應(yīng)力，筒體底部約束軸向位移。設(shè)計(jì)工況計(jì)算設(shè)計(jì)工況：p=1.0 MPa，t=250 ，上封頭接管等效拉應(yīng)力 b =45.5 MPa，不施加重力加速度設(shè)計(jì)工況下模型的第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力分布云圖分別如圖 5-7 所示，該

11、工況下最大應(yīng)力強(qiáng)度為 371MPa。圖 5 設(shè)計(jì)工況下，模型外表面第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力分布云圖（單位： 103MPa）圖 6 設(shè)計(jì)工況下，模型內(nèi)表面第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力分布云圖（單位： 103MPa）圖 7 設(shè)計(jì)工況下，模型接管焊縫處第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力分布云圖（單位： 103MPa）9應(yīng)力線性化在設(shè)計(jì)工況下，取 5 條路徑對模型進(jìn)行應(yīng)力評定，選取的路徑如圖 8所示， 圖 8 中標(biāo)示的路徑 1 5 應(yīng)力線性化數(shù)據(jù)列入附錄 1。路徑 1路徑 3圖 8 模型應(yīng)力分析路徑5 應(yīng)力強(qiáng)度評定本報(bào)告強(qiáng)度評定方法依據(jù) JB4732-95（2005 確認(rèn)版）進(jìn)行，應(yīng)力線性化路徑 的選取原則是：（1）通過應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)，

12、并沿壁厚方向的最短距離設(shè)定線性化路徑；（2）對于相對高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)沿壁厚方向設(shè)定路徑。 在應(yīng)力校核中，對于二分之一模型，殼體、封頭和接管設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度根據(jù)各 條路徑的位置不同按表 3 取值。位于焊縫連接處的路徑， 其應(yīng)力校核中的材料設(shè) 計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度按兩種材料中的強(qiáng)度較低的材料取值。（ 3）模型進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定時，對設(shè)計(jì)工況進(jìn)行評定（ K=1，路徑線性化數(shù) 據(jù)見附錄 1）。（1）路徑 1 的應(yīng)力強(qiáng)度評定筒體的材料為 Q345R，設(shè)計(jì)工況下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為 Sm=196 MPa 。評定結(jié)果列于表 6。 表 6 路徑 1 的應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果存在的應(yīng) 力種類及 組合整體模型上應(yīng)力強(qiáng)度 /MPa設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的

13、許用極限 /MPa評定結(jié)果路徑 1強(qiáng)度限制許可值Pm80.72KSm196合格注：在計(jì)算包括二次應(yīng)力強(qiáng)度的組合應(yīng)力強(qiáng)度時，應(yīng)選用工作載荷進(jìn)行計(jì)算。本報(bào)告中均選用設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行計(jì)算，這對于分析結(jié)果是偏于安全的（ 2）路徑 24 的應(yīng)力強(qiáng)度評定10封頭的材料為 Q345R ，設(shè)計(jì)工況下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為 Sm=196 MPa。封頭上接管的材料 為 16Mn ，設(shè)計(jì)工況下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為Sm=163 MPa 。從偏安全考慮，取路徑 24 上的許用應(yīng)力強(qiáng)度為接管的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，即取Sm=163 MPa ，評定結(jié)果列于表 7。表 7 路徑 24 的應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果存在的應(yīng) 力種類及 組合整體模型上應(yīng)力強(qiáng)度

14、/MPa設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的許用 極限/MPa評定結(jié)果路徑 2路徑 3路徑 4強(qiáng)度限制許可值PL4.47945.106714.7381.5KSm244.5合格PLPbQ7.092411.624123.013Sm489合格（3）路徑 5 的應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果封頭的材料為 Q345R，設(shè)計(jì)工況下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為 Sm=196 MPa 。評定結(jié)果列于表 8。 表 8 路徑 5、 11 的應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果存在的應(yīng)力種類及組合整體模型上應(yīng)力強(qiáng)度 /MPa設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的許用極 限 /MPa評定結(jié)果路徑 5強(qiáng)度限制許可值Pm62.178KSm196合格（4）路徑 6 的應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果封頭的材料為 Q345R，設(shè)計(jì)

15、工況下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為Sm=196 MPa 。筒體的材料為Q345R ，設(shè)計(jì)工況下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為 Sm=196 MPa。兩種設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度相同，取路徑6 上的許用應(yīng)力強(qiáng)度為封頭的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，即取Sm=196MPa ，評定結(jié)果列于表 9。表 9 路徑 6 的應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果存在的應(yīng)力種類及組合整體模型上應(yīng)力強(qiáng)度 /MPa設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限 /MPa評定 結(jié)果路徑 6強(qiáng)度限制許可值PL40.1591.5KSm294合格PLPbQ42.6913Sm588合格（ 5）路徑 78 的應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果接管的材料為 16Mn ，設(shè)計(jì)工況下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為Sm=163 MPa 。評定結(jié)果列于表10。表

16、10 路徑 7 8 的應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果存在的應(yīng)力種 類及組合整體模型 1 應(yīng)力強(qiáng)度 /MPa設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的許用 極限/MPa評定結(jié)果11路徑 7路徑 8強(qiáng)度限制許可值PL23.8726.79621.5KSm244.5合格PLPbQ64.0767.40253Sm489合格126 疲勞強(qiáng)度評定設(shè)備正常工作時，工作溫度為 250，壓力變化范圍為 0.20.8 MPa。 應(yīng)力幅值 ：Salt10.5×174.37×(0.7+0)/0.7=87.185 MPa； 考慮溫度修正后為： S'alt1Salt1×E/Et =87.185×192/191=87.6

17、41 MPa。查 JB4732 表 C-1，該應(yīng)力幅值對應(yīng)的允許最大循環(huán)次數(shù) N>106 次，根據(jù)設(shè) 計(jì)條件，變壓工況下的總循環(huán)次數(shù)為 5.3 ×105<106<N，所以該設(shè)備在變壓工況疲 勞校核合格。137 結(jié)論通過以上力學(xué)模型的應(yīng)力強(qiáng)度分析評定和疲勞計(jì)算表明， DN800 容器能滿 足 JB4732-1995 鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（ 2005 年確認(rèn)版）所規(guī)定的 應(yīng)力強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度要求，在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)可以安全使用。148 技術(shù)要求（1）殼體用 Q345R 板按 GB 713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板的規(guī)定， 正火狀態(tài)交貨； 16Mn 鍛件應(yīng)符合 NB/T

18、47008-2010承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼 鍛件中的級。（ 2）殼體及零部件的焊接坡口表面均應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測 ,并符合 JB/T4730.4-2005 中的級，不得有任何裂紋等缺陷存在。（ 3）除注明外 , 角焊縫的焊腳高度為較薄件的厚度 , 法蘭的焊接按相應(yīng)的法 蘭標(biāo)準(zhǔn), 所有 A、B 類焊接接頭應(yīng)打磨至與母材齊平不許保留余高。 接管與殼體、 支座墊板與殼體之間的角接接頭均需按圖樣要求打磨成光滑過渡。 不得使用硬印 作為材料標(biāo)記和焊工標(biāo)記。（4）C、D 類焊接接頭， DN<250 mm 接管的對接接頭以及非受壓元件與容器 相連的焊接接頭應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測合格級別按 JB/T4730.4-2

19、005 I 級合格。（ 5）上封頭成形后的最小厚度不得小于 5.5 mm；筒體成形后最小厚度不得 小于 5.5 mm。（ 6）水壓試驗(yàn)合格后， 打開上部法蘭蓋進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部安裝， 下封頭處的不銹 鋼絲網(wǎng)應(yīng)完整、無破損保證拼接處互相重疊尺寸不小于 300 mm，且用壓條壓緊 重疊部分，注意檢查壓環(huán)結(jié)壓條固定螺栓應(yīng)擰緊。（7）設(shè)備外表面除法蘭面外均應(yīng)清理除銹符合 GB8923-88的 St3級要求，并 按業(yè)主要求涂漆。（8）安全閥安裝在管路系統(tǒng)上。15附錄 1：模型設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力線性化數(shù)據(jù)1）設(shè)計(jì)工況下，模型應(yīng)力線性化數(shù)據(jù)Object NameStress IntensityLinearizedSt

20、ress IntensityLinearizedStressIntensity 2LinearizedStressIntensity 3LinearizedStressIntensity 4StateSolvedScopeScoping MethodGeometrySelectionPathGeometryAll BodiesPathPathPath 2Path 3Path 4ResultsMembrane80.72 MPa4.4794 MPa5.1067 MPa14.738 MPaBending (Inside)0.73869 MPa4.3353 MPa8.8854 MPa116.8 MPa

21、Bending (Outside)0.73869 MPa4.3353 MPa8.8854 MPa116.8 MPaMembrane+Bending(Inside)79.981 MPa7.0924 MPa11.624 MPa123.01 MPaMembrane+Bending(Center)80.72 MPa4.4794 MPa5.1067 MPa14.738 MPaMembrane+Bending(Outside)81.459 MPa5.6784 MPa7.9246 MPa111.92 MPaPeak (Inside)5.202e-003MPa11.099 MPa166.46 MPa11.60

22、4 MPaPeak (Center)5.4554e-003MPa2.4723 MPa4.0422 MPa5.9789 MPaPeak (Outside)5.7125e-003MPa3.5061 MPa7.922 MPa12.205 MPaTotal (Inside)79.986 MPa12.825 MPa174.37 MPa118.92 MPaTotal (Center)80.725 MPa4.7923 MPa5.0458 MPa19.591 MPaTotal (Outside)81.465 MPa4.6532 MPa4.5838 MPa115.19 MPa16Object NameLinearizedStress Intensity 5LinearizedStress Intensity6LinearizedStress Intensity7LinearizedStress Intensity8StateSolvedScopeScopi