（化工过程机械专业论文）基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究 摘要 层板包扎结构作为承压设备的一种，是高压容器中常见的和通常被认为是不 会破坏的结构形式，但目前已发生多起这类容器的灾难性事故，因此如何对尿塔 的剩余寿命作出有效的评估就成为了目前迫切需要解决的问题。为了建立现实可 行的层板包扎高压容器的剩余寿命试验评价技术和对其中缺陷进行有效检测的 技术，青岛科技大学和其他三个单位联合申报了国家8 6 3 项目“层板包扎高压容 器剩余寿命试验评价技术 并获得批准。本文主要进行层板包扎容器的应力场、 温度场等的数值模拟分析，为剩余寿命估算和评价提供数据基础。 考虑数值模拟时建模多、难度大，尤其是层板间隙时建立接触对手工操作非 常困难。本文以a n s y s 为平台，开发了层板包扎尿素合成塔有限元参数化分析程 序，将建模、划分网格、加载求解等各功能融入系统，通过输入少量参数就能快 速完成尿素合成塔有限元数值分析，大大减小了分析的工作量和难度。 利用开发的分析程序对尿塔进行了详细的有限元分析，并与实验结果进行了 对比。结果表明，数值模拟和p g p i m s h t e i n 计算出的应力呈相同的单调下降的 变化趋势，数值吻和较好，而l a m e 公式的计算结果则偏离较大。随着层板间隙 的增大，不承受内压的外部层板不断增多，承受内压的内部层板发生破裂的可能 性也越来越大。因为间隙的存在，多层板连接的环焊缝部位应力场最为复杂，越 靠近焊缝层板两侧拉、压应力越大，从而在层板间隙与深环焊缝相交的部位产生 一个尖角，应力集中最易发生的部位是层板间隙顶端的深环焊缝融合线处。分析 也表明坡口角的变化对深环焊缝融合线应力场的分布产生一定的影响。因此，层 板间隙、焊缝形式等对多层包扎尿塔应力场的分布有很大影响。尿素合成塔应变 测试结果也表明，尿素合成塔层板之间存在间隙对尿素合成塔的应力分布具有较 大的影响，实测应变值与理论值基本吻合较好。所以，在进行多层包扎尿素合成 塔设计时，应考虑间隙的存在所引起的应力集中对尿素合成塔整体强度的影响。 在对尿塔结构进行线弹性数值模拟时，发现深环焊缝焊趾部位局部应力已经 超出材料的屈服强度，因此对尿素合成塔进行了弹塑性有限元分析，结果表明， 盲板层和第一层板两侧焊趾处y o nm i s e s 应力最大，说明在实际操作条件下，内 衬层、盲板层及内筒之间间隙对应的深环焊缝焊趾部位可能会发生局部屈服。 因为尿塔操作温度较高，最后还进行了热一结构耦合分析，结果表明，在操 作温度下，温度载荷对尿素合成塔整体应力场的影响不大。 关键词：多层包扎容器a n s y s 应力场a p d l 二次开发 基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究 r e s e a r c ho nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm u l t i l a y e r w r a p p e d v e s s e l ss t r e s sf i e l db a s e do nf i n i t ee l e m e n t m e t h o d a b s t r a c t t 0h i g hp r e s s u r ev e s s e l ，m u l t i l a y e rw r a p p e ds t r u c t u r e 弱k i n do fp r e s s u r i z e de q u i p m e n ti s c o m m o na n ds u p p o s e dc a n tb ed a m a g e d b u tn o wt h i sk i n do fv e s s e lh a si n d u c e dm a n y d i s a s t r o u sa c c i d e n t s s oh o wt oe v a l u a t et h ew r a p p e dl a y e rv e s s e l sr e m a i n i n gl i r eb e c a m ea l l u g e n tp r o b l e m i no r d e rt oe s t a b l i s haf e a s i b l et e s tt oe v a l u a t ew r a p p e dl a y e rv e s s e l sr e m a m i n g l i f ea n dd e t e c tt h ed e f e c te f f i c i e n t l y , q i n g d a ou n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g yw i t ho t h e r t h r e eu n i t sa p p l yf o r 也e8 6 3p r o j e c tn a m e dt e s te v a l u a t i o nf o rw r a p p e dl a y e rv e s s e l sr e m a i n i n g l i f e - n l i sa r t i c l em a i n l yw o r k e d0 nw r a p p e dl a y e rv e s s e l sn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni na s p e c t so f s t r e s sf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dt oe s t i m a t ea n de v a l u a t ew r a p p e dl a y e rv e s s e l sr e m a i n i n gl i f e w h e np e r f o r m i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，ih a dt oe s t a b l i s hi o t sm o d e l s ，a n di tw a sv e r y d i f f i c u l te s p e c i a l l yp r e s e n t e dam o d e lo fc o n t a c tt h r o u g hm a n u a lo p e r a t i o nw h e nc o n s i d e r i n gt h e l a y e rg a p s ob a s e do na n s y s ，id e v e l o p e daf i n e l e m e n tp a r a m e t r i ca n a l y s i sp r o g r a mi n w r a p p e dl a y e ru r e ac o n v e r t e r , a n di n t e g r a t e dm o d e l i n g & d i v i s i o n 面d & l o a ds o l u t i o na n ds oo n v a r i o u sf u n c t i o n si n t ot h es y s t e m 。t h e nlc a nc o m p l e t et h eu r e ac o n v e r t e rf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l a n a l y s i sq u i c k l yt h r o u g hi n p u t t i n gf e wp a r a m e t e r s a l lo ft h e s er e d u c e dt h ea n a l y s i sw o r kl o a da n d t h ed i 街c u l t yg r e m l y ic a r r i e do u tad e t a i l e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o ru r e ar e a c t o rb yu s i n gp a r a m e t r i cp r o g r a m , a n da n a l y z e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u i t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec a l c u l a t i o ns t r e s so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp g p i m s h t e i nf o r m u l ah a v et h es a m et r e n d ，t h ed a t aa r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t he a c ho t h e r , b u tt h er e s u l to fl a m ef o r m u l ah a sag r e a t e rd e v i a t i o n 。黝t h e l a m i n a t e sg a pi n c r e a s i n g ，t h ee 斌e r n a ll a m i n a t e sn u m b e rt h a td o e s n tb e a rp r e s s u r ei sg r o w i n g a n dl a m i n a t e sr u p t u r ep o s s i b i l i t yo c c u r r e dm o r ee a s i l y m u l t i l a y e rg i r t hw e l dc o n n e c t i n gi st h e m o s tc o m p l e xp a r t so fs t r e s sd i s t r i b u t i o ns i n c et h ee x i s t e n c eo fi a m i n a t e sg a p t h em o r ea r o u n d t h eb o t hs i d e so fw e l d i n gs e a m ，t h em o r ep u l ls t r e s sa n dt h ec o m p r e s s i o n s h e l fs p a c ea n dd e e p g i r t hw e l dp a r t si n t e r s e c tp r o d u c eac u s p ，t h em o s tv u l n e r a b l es t r e s sp a r t si st h et o pl a m i n a t e sg a p a n dd e e pg i r t hw e l df u s i o nl i n e a n a l y s i sa l s os h o w st h a tc h a n g ei nt h es l o p ea n g l eh a sac e r t a i n i m p a c tt ot h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sf i e l do fd e e pg i r t hw e l df u s i o nl i n e t h e r e f o r e ，t h el a y e rg a pa n dt h ew e l d e dj o i n tf o r ma n ds oo nh a v et h ev e r yt r e m e n d o u s i n f l u e n c et ot h em u l t i - l a y e rw r a p p e du r e ac o n v e r t e rs t r e s sf i e l d sd i s t r i b u t i o n t h eu r e ac o n v e r t e r s t r a i nt e s tr e s u l ta l s oi n d i c a t e dt h a tg a p sb e t w e e nt h eu r e ac o n v e r t e rl a y e r sh a v et h et r e m e n d o u s i n f l u e n c et ot h eu r e ac o n v e r t e rs t r e s sd i s t r i b u t i o n a n dt h e r ei sab a s i c a l l yg o o da g r e e m e n t b e t w e e nt h ea c t u a ls t r a i nv a l u ea n dt h et h e o r e t i c a lv a l u e s o ，w h e nc a r r y i n go nt h em u l t i 1 a y e r w r a p p e du r e ac o n v e r t e rd e s i g n ，s h o u l dc o n s i d e rt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n si n f l u e n c ew h i c hc a u s e d b yg a p st ou r e ac o n v e r t e ro v e r a l li n t e n s i t y 1f o u n dt h a tt h el o c a ls t r e s sa td e e ps e a mw e l dt o er i n gs i t eh a sa l r e a d ye x c e e d e dt h ey i e l d s t r e n g t hw h i l e1w a sd o i n gs t r u c t u r el i n e a re l a s t i cn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fu r e ar e a c t o r , t h e r e f o r ei d i dae l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o ru r e ar e a c t o r t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti th a st h e i l 青岛科技大学研究生学位论文 l a r g e s tv o nm i s e ss t r e s sa tb l i n da n db o t hs i d e so ft h ef i r s tl a y e r r 伽ip r o v et h a tl i n i n gl a y e r , b l i n dl a m e l l a rg a pb e t w e e nt h ei n n e rc o r ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e e ps e a l t lw e l dt o ec e n t r a l l o c a t i o nm a yb eal i m i t e dy i e l du n d e ra c t u a lo p e r a t i n gp r e s s u r e b e c a u s eu r e ar e a c t o r so p e r a t i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h ，ig o tt h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i s a tl a s t t h er e s u l ts h o w e dt h a tt e m p e r a t u r el o a do nu r e ar e a c t o rh a sl i t t l ea f f e c t i o no ns t r e s sf i e l d u n d e rt h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：m u l t i l a y e rw r a p p e dv e s s e l a n s y ss t r e s sf i e l da p d l r e - e x p l o i t a t i o n l l i 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 年月日 年月 日 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 承压设备是生产和生活中广泛使用的、具有爆炸危险的一类设备。这类设备 有的在高温高压下工作，有的盛装或运输易燃、有毒介质。如果管理不善、使用 不当或者设备缺陷扩展，将会发生爆炸或泄漏事故【1 1 。承压设备一旦发生爆炸， 往往并发火灾和中毒，导致灾难性事故，不但使整个设备遭到破坏，而且将波及 周围环境，破坏附近建筑物和设备，造成严重的人身伤亡及财产损失。承压设 备即使发生非灾难性事故，也往往会因其所处生产装置高度自动化、高度集成化、 产能大型化，一台设备发生事故，造成整套装置的连锁停车，带来巨大的经济损 失。 层板包扎结构作为承压设备的一种，是高压容器中常见的和通常被认为是不 会破坏的结构形式【2 】。化肥生产装置中氨合成塔和尿素合成塔( 简称尿塔) 等承 压设备主要采用这种结构 3 1 。目前，我国仅化肥生产装置中，这类结构的尿塔约 4 0 0 台，每年尿素产值7 0 0 亿元左右。一般情况下，每套尿素装置中，尿塔和氨 合成塔一一对应，另外还有约4 台其他层板包扎高压容器。初步估计，我国仅化 肥生产装置中层板包扎高压容器就有2 0 0 0 台左右【4 j 。 尽管层板包扎容器被认为是非常安全的结构，但因介质对层板的腐蚀或者制 造过程中所产生的缺陷等，已导致数起这类容器的灾难性事故。全世界仅尿塔已 发生6 起爆炸事故( 不含单层结构尿塔爆炸1 起) ，伤亡最多一起造成2 1 人( 又 说3 3 人) 死亡，7 1 人受伤。我国1 9 9 5 和2 0 0 5 年连续两次发生形式非常相近的 尿塔爆炸事故，共造成1 0 + 4 = 1 4 人死亡，5 + 3 2 = 3 7 人受伤，总直接经济损失约5 0 0 0 万元，引起国家安监总局和质监总局等政府部门和广大企业的热切关注。去年以 来仅非常严重的不得不报废的已近1 0 台。因此如何对其他约4 0 0 台尿塔的剩余 寿命作出有效的和可信的评估就成为了目前迫切需要解决的问题。这是事关社会 公众安全、农业化肥供应和化肥及设备生产企业经济利益的重大问题，也是本课 题研究的重要意义所在l 5 - 7 j 。 正是在这种背景下，2 0 0 6 年青岛科技大学和山东大学、山东省特检院、合肥 通用机械研究院联合申报了国家8 6 3 项目“层板包扎高压容器剩余寿命试验评价 技术( 2 0 0 6 a a 0 4 2 4 1 7 ) ，并获得批准，共获得8 9 万的经费资助。在该项目中， 青岛科技大学主要负责层板包扎容器的应力场、温度场、热冲击效应的数值模拟 基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究 分析，这也是本课题研究的主要内容。 1 2 层板包扎容器国内外研究现状 多层包扎式筒体【8 j 是美国斯密思( a o s m i t h ) 公司于1 9 3 1 年首创的一种筒 体结构型式，现已为许多国家所采用，是目前使用最广泛、制造和使用经验最为 成熟的组合式筒体结构。其制造工艺如图1 1 所示，先用1 5 2 5 m m 厚的钢板卷焊 成内筒，然后再将6 1 2 m m 厚的层板( 目前随着包扎能力的提高，已有采用2 0 m m 厚以上的层板) 压卷成两个半圆形或三瓦片形，用钢丝绳或其它装置扎紧并点焊 固定在内筒上，焊好纵缝并把其外表面修磨光滑，依此继续直到达到设计厚度为 止。层板间的纵焊缝要相互错开一定角度，使其分布在筒节圆周的不同方位上。 此外筒节上开有若干穿透各层层板( 不包括内筒) 的小孔，一组称透气孔，用以 排除层板间隙中的气体，避免气体膨胀产生不必要的应力；另一组称为信号孔、 泄漏孔或检漏孔，通过直接观察有无介质泄漏或间接通过检测通入的检漏气体 ( 如蒸汽) 进出检漏孔时成分的变化，来及时发现内筒破裂泄漏，防止缺陷扩大 f 9 】。 ! 1 1 卜1 多层压力容器制造工序和结构 f i g 1 1m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n d s t r u c t u r eo fm u l t i - l a y e r sv e s s e l 简体端部的法兰过去多用锻制，近年来也开始采用多层包扎焊接结构。和其 2 青岛科技大学研究生学位论文 它结构型式相比，多层包扎式筒体生产周期长、制造中手工操作量大【l o l 。 层板包扎结构高压容器自从2 0 世纪3 0 年代发明以来，得到了广泛的应用， 对其所进行的研究也一直未中断过。这些研究主要包括：容器层板的应力计算、 深环焊缝的无损检测、深环焊缝的结构改进、层板间隙的控制、内衬层防腐性能 改进等。如果制造是在十分理想的情况下进行，其简体应力分布的分析有许多文 献可以参考。但是它们都是基于一种理想化的假设：即多层容器所有层与层之间 的接触是一种完美的接触，即不存在任何间隙。可是在实际制造中，由于卷板等 工艺中的误差，在相邻两层之间经常有局部间隙存在。由于筒体中的预应力是通 过层与层之间的直接接触产生的，所以间隙的存在将使预应力的值减少，这又进 一步影响到筒体整体的强度。特别当存在周期性载荷时其影响更显重要，因为间 隙引起的高应力能促使疲劳裂纹的发展。对层板包扎容器的无损检测研究诚然很 多，但始终未能解决层板中或邻近层板焊缝区域缺陷的无损检测问题，因此对层 板包扎高压容器的安全评定或剩余寿命估算，不是建立在对缺陷的过度假设基础 上，就是建立在层板包扎高压容器不会破坏的理念基础上，可靠性很低。然而， 频频出现的灾难性事故和肉眼可观的层板严重腐蚀、开裂而造成的容器报废事 件，向人们敲响了警钟，以往对层板包扎高压容器的研究过于局限在对这种结构 非常安全的理念上了。因此，必须突破这种层板包扎高压容器不易破坏的理念， 重新审视这种结构和所发生的破坏事故的历史，建立现实可行的层板包扎高压容 器的剩余寿命试验评价技术和对其中缺陷进行有效检测的技术l l 卜1 4 】。 西德k r u p p 公司于8 0 年代初开发了一种新型的多层容器整体多层包扎焊 缝错开式容器，它除具有多层容器所具有的优点外，另一主要优点是没有深环焊 缝，是一种比较理想的多层容器结构形式【1 5 1 。1 9 8 7 年，华南理工大学与长沙化机 厂联合开发了与k r u p p 公司类似的整体多层包扎容器，并作了许多理论研究与试 验工作，试验得出结论，此种压力容器首先在端部破裂而失效。因此，以往的研 究表明，端部是容器结构最薄弱的部位【临1 7 1 。在目前的制造工艺中，这种端部结 构的结构尺寸主要从加工制造的角度来考虑，而没有从结构承载上进行分析，这 是不尽合理的【1 8 】。所以，对多层包扎容器结构进行理论分析与试验研究，同时考 虑应力场，温度场等的影响，可以为产品设计提供理论依据，进一步完善层板包 扎容器的性能，从而提高这种容器的安全可靠性，也是本课题进行理论研究的主 要切入点。 截至目前为止，层板包扎高压容器爆炸事故有：1 9 7 6 年美国查塔努加的尿 塔爆炸，尿塔被炸成碎片，损失不详；1 9 7 6 年南非尿塔爆炸，损失不详；1 9 7 7 年1 2 月哥伦比亚尿塔爆炸，尿塔被炸成3 段，破坏形态与我国发生的两次相似， 2 1 人( 又说3 3 人) 死亡，7 1 人受伤；1 9 9 2 年7 月美国路易斯安那的莱克查尔 3 基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究 斯发生尿塔爆炸，7 人受伤，8 7 入不同程度受到尿塔内泄漏介质的侵害，仅赔偿 受害人共计4 3 5 万美元；1 9 9 5 年我国迁安尿塔爆炸，尿塔被炸成3 段，l o 人 死亡，5 入受伤，直接经济损失近千万元： 2 0 0 5 年3 月我国平阴尿塔爆炸，尿 塔被炸成3 段，4 人死亡，3 2 人受伤，直接经济损失3 0 0 0 余万元。 ) 2 0 0 4 年缅 甸的单层尿塔爆炸，尿塔从底部炸翻，塔体上部被抛出。引起爆炸的原因均被认 为是塔内介质对塔体严重腐蚀或者泄漏到层板间隙中的检漏蒸汽碱性浓缩物对 层板严重应力腐蚀或者制造缺陷等所造成的塔体破裂泄漏而产生“爆沸 。2 0 0 5 年尿塔爆炸事故后，我国对在役尿塔进行了大量全面检验，报废了近十台严重应 力腐蚀开裂的尿塔。它们是：辽宁l 台；山东的鲁西化工l 台、鲁南化肥1 台、 峄山化工2 台、肥城化肥1 台、恒通化工2 台；陕西城化股份l 台。开裂最为严 重的一台塔共发现裂纹及开裂5 4 处，最长处达2 5 0 m m ，裂穿4 层层板。如报废 一台塔直接经济损失约5 0 0 万元，每塔每天生产利润约2 0 万元，一般尿塔的更 换期1 8 个月，由此造成的间接经济损失9 0 0 0 万元，损失巨大【1 9 - 2 2 1 。 国内外对于多层包扎容器的应力场方面的研究成果主要有：陈建存以多层包 扎简体内外壁同时进入屈服为出发点，采用优化设计的方法来设计简体及改进包 扎结构。但是由于焊缝焊接产生的预应力除受坡口间隙控制外，还受焊接工艺、 操作水平等限制，实际没有得到推广应用 2 3 j 。p g p i m s h t e i n 、n d t a r a b a s o v 和黄炎等分别对实际存在间隙的多层包扎压力容器的应力计算公式进行了推导。 首次指出存在层间间隙的情况下，内壁的应力值大于单层容器的应力，而外壁的 应力小于单层容器的应力1 2 4 。刘纪炎对局部层板存在不贴合的多层包扎容器进行 了强度计算，指出间隙的存在不但减小了预应力，而且还会增加层板所受的周向 应力f 2 5 1 。以有限元的方法对考虑间隙的多层尿素合成塔塔模型进行全面分析的研 究者尚未发现。 针对目前尿塔所存在缺陷的严重局面，在对事故原因分析基础上，开展尿塔 检测研究工作和初步的安全评估研究工作，为如何科学评价我国化肥装置中约 4 0 0 台尿塔，约1 6 0 0 台其他层板包扎承压设备的剩余寿命，形成具有自主知识产 权的层板包扎高压容器剩余寿命试验评价技术奠定基础。目前国内外尚无“层板 包扎高压容器剩余寿命试验评价技术 的授权专利，也未见到此技术系统研究报 道。本课题的研究内容就是通过应力场的数值模拟研究，为“层板包扎高压容器 剩余寿命试验评价技术”提供理论依据，并总结尿素合成塔有限元数值模拟应力 场、温度场等的模拟方法。 4 青岛科技大学研究生学位论文 3 课题主要研究内容及方法 1 3 1 课题的主要研究内容 因层板包扎高压容器的结构特点，本课题将重点研究介质压力和温度作用下 的层板结构应力，并和现场检测结果进行对比分析，为这类结构容器的结构应力 安全可靠的评价方法提供依据。主要研究内容包括如下几个方面： ( 1 ) 正常运行和开停车等非常态时，介质压力、间隙变化以及塔径变化等 条件下层板包扎容器应力场的确定。 由于层板包扎容器所受工作压力、工作温度等经常发生变化和波动，因此在 进行应力分析之前，应该确定出其最危险工况的载荷谱，根据该载荷谱进行应力 场数值模拟分析。 ( 2 ) 层板包扎容器有限元分析模型的建立。 ( 3 ) 考虑层板间隙的应力场有限元数值模拟研究。 ( 4 ) 对多层包扎尿素合成塔数值模拟方法进行总结。 ( 5 ) 对层板包扎容器进行弹性和弹塑性应力分析。 根据容器的实际载荷情况，分别进行只有弹性变形的应力分析和进行同时存 在弹性变形和塑性变形的应力分析。 ( 6 ) 根据应力分布的计算结果，分析层板包扎容器最大应力出现的部位以 及最可能先发生破坏的部位，并结合一定数量报废尿塔的实地检测、解剖现场实 验的数据进行对比分析，以验证数值分析结果的正确性。并根据对比分析结果来 不断修正模型和分析结果。 ( 7 ) 根据上述的分析结果，分析目前层板包扎容器的影响应力场分布的各 个因素，并分析各个因素对应力场影响的大小。 目前对层板包扎容器简体应力分布的分析都是基于一种理想化的假设：即多 层容器所有层与层之间的接触是一种完美的接触，即不存在任何间隙。可是在实 际制造中，由于卷板等工艺中的误差，在相邻两层之间经常有局部间隙存在。由 于简体中的预应力是通过层与层之间的直接接触产生的，所以间隙的存在将使预 应力的值减少。这又进一步影响到筒体整体的强度。特别当存在周期性载荷时其 影响更显重要。因为间隙引起的高应力能促使疲劳裂纹的发展。因此，本次研究 将考虑层板间隙对应力分布的影响1 2 6 瑚l 。 本次研究内容的主要难点在于层板间摩擦接触问题、环焊缝焊接接头结构的 简化问题的有效解决。 基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究 1 3 2 课题的主要研究方法 1 9 6 5 年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应 用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思 想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体。 实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果 来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无 法解决的复杂问题1 2 9 】。 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设 计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的 有效途径。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模 块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构 造有限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高 度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物 理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析 能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子 流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显 示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上 的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料【3 0 】。 本文采用大型有限元商业程序( a n s y s ) 分析计算正常运行和停开车等非常 态情况下，在介质压力、温度变化以及热冲击作用下尿塔层板及焊缝中的温度、 应力场。计算过程中将充分考虑材料的弹塑性行为、层板间隙的影响。采用有限 元方法分析大型工程结构已是非常成熟和惯用的方法，因此本课题采用有限元方 法也是完全可行的，在课题研究过程中，充分考虑尿塔建模时层板摩擦接触问题 以及环焊缝焊接接头结构的简化。 主要研究方法主要分为以下步骤： ( 1 ) 有限元数值模拟； ( 2 ) 现场解剖尿塔，进行应力应变测试试验等； ( 3 ) 理论分析； ( 4 ) 将相关结果进行比较，以验证模拟结果的精确性。 6 青岛科技大学研究生学位论文 2 参数化有限元建模程序开发 多层包扎尿素合成塔有限元数值分析有限元模型有以下特点： ( 1 ) 结构多样化，模型变量多： ( 2 ) 层板数目多，建模工作量大； ( 3 ) 焊缝形状复杂，传统建模方法建模困难； ( 4 ) 整体模型建模过程繁琐。 另外，因为课题研究需要，需要对各种塔径、各种不同内压条件及各种结构 的多层包扎尿素合成塔进行全面的有限元数值模拟，也大大增加了数值模拟的难 度和工作量。若使用a n s y s 传统的分析方法对其进行研究和模拟，主要存在的 难点和缺点有： ( 1 ) 分析工作量太大，各个模型变量对应力场的影响不能全面的进行分析； ( 2 ) 分析过程重复性工作多，分析工作枯燥无味； ( 3 ) 建模过程复杂，对不同模型进行多次分析时，建模需要花费大量时间 和精力。 针对以上的分析，本文独辟蹊径，从二次开发的角度出发，以参数化的思想 处理尿素合成塔有限元分析模型。抽象出模型主要参数，对多层包扎尿素合成塔 模型进行程序开发，其主要优点有： ( 1 ) 能够大大提高建模的效率和简化建模过程，使对不同模型的全面分析 成为现实； ( 2 ) 容易形成知识成果，可重用性高，不但方便自己使用，也可为项目组 其他人员进行相关分析提供便利； ( 3 ) 对参数化思想应用于尿素合成塔的实践过程，开阔了研究思路，为形 成一个具有完整分析功能的多层包扎尿素合成塔有限元模拟系统奠定了基础。 本章以参数化的思想作为指导，利用a n s y s 强大的二次开发工具a p d l 和 u i d l ，从二次开发的角度，开发能够高效、实用的多层包扎尿素合成塔建模通用 程序。详细的介绍了多层包扎尿素合成塔建模通用程序的开发过程、主要功能和 建模程序使用方法。 2 1 尿塔圆筒结构 尿塔筒节多为多层包扎式结构，这也是目前世界上使用最广泛、制造和使用 经验最丰富的组合式圆筒结构。筒节由厚度1 2 2 5 m m 的内筒和厚度为4 , - , 1 2 m m 7 基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究 的多层层板两部分组成，筒节通过深环焊缝焊成完整的圆筒，如图2 _ l 所示。为 了避免裂纹沿厚度方向扩展，各层板之间的总焊缝应该互相错开。7 y 。筒节的长 度视钢板的宽度而定，层数则随所需的厚度而定。制造时，通过专用装置将层板 逐层、同心的包扎在内筒上，并借纵焊缝的焊接收缩力使层板和内筒、层板与层 板之间相互贴紧，产生一定的预紧力。每个筒节上均开有安全孔，这种小孔可使 层间空隙中的气体在工作时因温度升高而排出。当内筒出现泄漏时，泄漏介质可 通过小孔排出，起到报警作用【3 h 2 j 。 多层包扎式圆筒制造工艺简单，不需要大型复杂的加工设备。与单层式圆筒 相比安全可靠性高，层板间隙具有组织缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力，减少 了脆性破坏的可能性，同时包扎预应力可有效改善圆筒的应力分布【3 3 1 。对介质适 应性强，根据尿塔介质特点，尿塔在制造时选择尿素级不锈钢3 1 6 l 作为其内篱 材料。但尿塔的多层包扎式圆筒制造工序多、周期长、效率低、钢板材料的利用 率低，这是因为：无损检测困难，环焊缝两侧均有层板，无法使用超声检测， 仅能依靠射线检测；焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒容易变得 粗大而韧性下降，因此焊缝质量较难保证；环焊缝的破口切削工作量大，且焊 接复杂【3 4 1 。 图示焊缝仅为示意图- 实际数量 吐e 囝中要多 廨赫 。憋钞 图2 - 1 尿塔多层包扎筒节 f i g 2 1l a y e r - p l a t eb u n d l ec y l i n d e ro fu r e ar e a c t o r 多层包扎圆筒在进行应力场分析的过程，层板间隙始终是一个难点。后面程 序开发时，将其单独作为一个重要参数进行了处理，因此，在进行有限元数值模 拟时，可以方便的研究不同间隙给层板应力带来的影响。 2 2 尿塔封头结构 压力容器封头种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等， 8 青岛科技大学研究生学位论文 凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头和球冠形封头【3 5 1 。尿塔出于其 工艺条件，制造难易程度和材料消耗方面的考虑，主要采用的半球形和平盖的封 头结构。 对于尿塔受均匀内压的载荷的特点，进行强度计算时，由于封头和圆筒通过 深环焊缝相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还要考虑 与圆筒连接处的不连续应力 3 6 1 。连接处总应力的大小与封头的几何形状和尺寸， 封头与圆筒厚度的比值大小有关。但常见的封头厚度设计公式，主要利用内压薄 膜应力作为依据，而将因不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式 引入厚度计算式中。应力增强系数由有力矩理论解析导出，并辅以实验修： e 1 3 7 1 。 尿塔封头进行设计时，一般优先选用封头标准中推荐的形式与参数，然后根 据尿塔受压情况进行强度或稳定性计算，确定合适的厚度。 用半球形式封头进行有限元建模，这与实际结构一致。 2 3 尿塔焊接结构 尿塔常见焊缝结构，筒节通过深环焊缝焊成完整的圆筒，尿塔环向焊缝如图 2 2 所示。 图2 - 2 环向焊缝 f i g 2 - 2 c i r c u m f e r e n t i a lw e l d i n gl i n e 焊缝结构形式复杂多样，本文在研究的过程中已经完成了多种焊缝结构通用 程序的开发工作。 4 参数化有限元实体模型 查看国内外对此类容器的分析资料，还没有人用a n s y s 将尿素合成塔有限 l 元分析模型参数化处理。在关于这方面的资料中，大多数的分析是针对尿素合成 9 基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究 塔某个部位取一个间隙进行分析，并通过这个间隙的角度来讨论层板间隙对应力 场或温度场等的影响，还没有人将层板间隙作为一个单独参数，取不同间隙对尿 素合成塔进行应力场分析。一方面原因是带间隙问题的有限元模拟属于接触问题 的分析，是任何一款有限元分析软件的分析难点问题，这关系到接触刚度的确立， 合理接触对的建立等难点。另一方面原因是尿素合成塔有限元模型复杂，建模过 程繁琐。以1 4 层筒节间隙接触对为例，若取两个筒节带一半封头进行分析，想 合理的建立接触对，采用传统方法，需要手工建立2 6 个接触对，且在间隙很小 时，这种手工操作非常困难。 本文以参数化的思想，将影响尿素合成塔应力场、温度场的主要尺寸设置成 可输入的参数，对层板包扎尿素合成塔有限元数值模拟的实体模型部分参数化处 理并开发通用程序。以方便对各种不同尺寸，不同间隙的尿素合成塔模型进行数 值模拟研究。以大型商用软件a n s y s 为开发平台，通过其强大的二次开发功能， 最终完成层板包扎尿素合成塔有限元参数化模型通用程序的开发。开发流程如图 2 3 所示。 ，r r 曼r 匮堑送型li 埕丝搓型il 董丝整霾ii 圈整型坌i 国国固国国圈圜国图国圜图国 2 4 1 层板部分 尿素合成塔层板有限元模型是指包扎成尿素合成塔筒节的各层钢板及尿素 合成塔内衬层、盲板层和内简部分。首先进行尿素合成塔2 d 有限元模拟，忽略 筒节上各种接管等细小结构，取一个筒节纵截面的一半作为尿素合成塔层板有限 元模型层板部分的最小组元，如图2 - 3 所示。以参数化建模的思想，抽象出层板 模型需要参数，通过a n s y s 的a p d l 进行程序开发，最终实现了尿素合成塔模 型筒节层板部分的参数化建模。 i o 青岛科技大学研究生学位论文 围2 - 4 层板模型 f i g 2 - 4 l 捌e r _ p l a k m o d e l ( 1 ) 抽象参数和数学关系式 筒节层板部分，由图2 - 4 可看出，需要控制的模型参数主要有筒节的整体长 度、层板厚度、层板数目、层板间隙、内衬层、盲板层和内简的厚度。由于取尿 素合成塔纵截面的一半作分析对象属于轴对称问题，还要考虑的参数是塔的内 径，在如图2 _ 4 所示模型中，以构造尿素合成塔半径这个变量来实现内径的参数 化。使用a n s y s 的二次开发功能，开发包含已经抽象出参数的对话框，如图2 - 5 所示通过其a p d l 工具和构造数学关系式来完成上述模型的参数化建模程序 “- 一。 二 “。二 一 w 4 l _ 一口 兰j 型j 图2 - 5 层板参数精八窗口 f i g2 5 t h e i n p u t w i n d o w o f l a y e r - p l a t ep a r a m e i e p d 基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究 各个参数代表含义如表2 - 1 所示。 表2 - 1 层板参数说明表 t a b l e 2 - 1 l a y e r - p l a t ep a r a m e t e r s 参数名称参数含义 备注 l a m il 第一层厚度内衬层 i a m i2 第二层厚度盲板层 l a m i3 第三层厚度内筒层 n u m2 d层板数目层板 r a d2 d 模型内半径 l e n2 d 筒节长度 t h2 d 层板厚度层板 g a p _ 2 d 层板间隙 y2 d 模型坐标默认值0 ( 2 ) a p d l 宏程序 使