（机械工程专业论文）dn2400氨合成塔端部强度分析.pdf

摘要 摘要 氨合成塔是合成氨生产的重要设备之一，作用是使精制气中的氢氮气在合成塔 催化剂层床中合成为氨。随着生产规模的不断扩大，氨合成塔的大型化也成为必然， 设备的大型化使得诸多问题有待解决，例如设备的密封问题，并且密封成为最需解 决的关键问题，由于双锥环密封的良好密封性能，使其在高压容器的密封结构中占 据主导地位。 本文以g b l 5 0 1 1 5 0 4 2 0 1 1 压力容器为依据，利用a n s y s 软件对d n 2 4 0 0 氨合成塔主要受压元件进行了强度分析，主要工作内容如下： ( 1 ) 建立了多层包扎简体及单层简体模型，分析并比较了两种模型下的应力强 度分布情况，为氨合成塔端部强度分析提供依据。 ( 2 ) 建立了双锥环密封结构的有限元模型，采用非线性接触算法对双锥环密封 进行了强度分析，在不同的双锥环内圆柱面与平盖支撑面的径向间隙下，以双锥环 材料的屈服强度及垫片比压力为许用值，确定双锥环内圆柱面与平盖支撑面的径向 间隙，以满足密封要求。 ( 3 ) 分别采用g b l 5 0 常规算法及有限元法对主螺栓进行强度计算，验证了 g b l 5 0 中主螺栓的计算方法。 ( 4 ) 对平盖及简体端部进行了有限元分析，确定平盖和简体端部的应力强度； 因平盖及筒体端部开孔处存在峰值应力，为确定平盖和筒体端部结构的可靠性，对 平盖和筒体端部进行了极限分析，确定平盖和筒体端部的极限载荷，确保其安全可 靠性。 ( 5 ) 分析了下封头组件的应力强度，并考察氨合成塔内件和自重载荷对下封头 的应力强度的影响，为今后的设计提供参考依据。 关键词氨合成塔：筒体；封头；筒体端部；平盖；强度分析 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a m m o n i as y n t h e s i st o w e ri so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ep r o d u c t i o no f s y n t h e t i ca m m o n i a i ti su s e df o rt h es y n t h e s i so fa m m o n i a f r o mh y d r o g e na n dn i t r o g e ni n t h er e f i n e dg a s e si nt h ec a t a l y s tb e do ft h es y n t h e s i st o w e r w i t ht h ei n c r e a s i n gp r o d u c t i o n s c a l e ，t h el a r g es c a l ea m m o n i as y n t h e s i st o w e ri sb e c o m i n go ni n e v i t a b l et r e n d ，w h i c h m a k e sm a n y p r o b l e m st ob es o l v e d s u c ha se q u i p m e n ts e a l i n g ，w h e ni st h em o s tc r i t i c a l p r o b l e mt h a t n e e d st ob e s o l v e du r g e n t l y d o u b l e - c o n es e a ls 乜弋l c t l 】r eh a sd o m i n a n t a p p l i c a t i o ni nt h eh i g hp r e s s u r es e a ls t r u c t u r ed u et oi t sg o o dg e n e r a ls e a lp e r f o r m a n c e g b l 5 0 1 1 5 0 4 - 2 0 1 l ”p r e s s u r ev e s s e l ”a n da n s y s a r eu s e dt oa n a l y z es t r e n g t ho f t h e m a i np r e s s u r ee l e m e n t si nd n 2 4 0 0a m m o n i as y n t h e s i st o w e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) m u l t i l a y e r e dc y l i n d e ra n ds i n g l ec y l i n d e rm o d e la r ed e v e l o p e dt oa n a l y z ea n d c o m p a r et h es t r e s si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nu n d e rt h et w om o d e l s ( 2 ) t l l ef e am o d e lf o rd o u b l ec o n es e a l si sd e v e l o p e d ，t oa n a l y z et h ei n t e n s i t yw i t h t h en o n l i n e a rc o n t a c ta l g o r i t h m d o u b l e - c o n es e a ls t r u c t u r e si sa n a l y z e dw i t ht h ed i f f e r e n t r a d i a lc l e a r a n c eb e t w e e nt h ei n t e r n a lc y l i n d r i c a ls u r f a c ea n dt h ef l a tc o v e rb e a r i n gs u r f a c e ， w i t l lt h ey i e l ds t r e n g t ho fd o u b l ec o n es e a lm a t e r i a l sa n dt h eg a s k e tp r e s s u r ea st h e a l l o w a b l ev a l u et om e e tt h es e a l i n gr e q u i r e m e n t s ( 3 ) g b 15 0a n df i n i t ee l e m e n tm e t h o da r eu s e dt oc a l c u l a t et h es t r e n g t ho fm a i n b o l t s ，a n dt h eb o l tc a l c u l a t i o nm e t h o do fg b15 0i sv e r i f i e d ( 4 ) f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sa p p l i e do nf i a tc o v e ra n ds h e l le n d s t od e t e r m i n et h e s t r e s si n t e n s i t yo ft h ef l a tc o v e ra n dt h es h e l le n d s b e c a u s et h e r ea r ep e a ks t r e s s e sa tt h e p o r e so ft h ef l a tc o v e ra n d t h es h e l le n d s ，t h el i m i ta n a l y s i so nt h ef l a tc o v e ra n dt h es h e l l e n d si sa p p l i e dt od e t e r m i n et h er e l i a b i l i t yo ft h ef l a tc o v e ra n dt h es h e l le n ds t r u c t u r e s ， a n dd e t e r m i n et h el i m i tl o a d sa tt h ef l a tc o v e ra n dt h es h e l le n d st oe n s u r et h e i rs a f e t ya n d r e l i a b i l i t y ( 5 ) n es t r e s si n t e n s i t yo ft h el o w e rs h e l lc o v e rc o m p o n e n t si sa n a l y z e dt oi n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c e so ft h ei n t e m a lc o m p o n e n t so ft h ea m m o n i as y n t h e s i sc o n v e r t e ra n dt h e i r w e i g h t so nt h es t r e s si n t e n s i t yo ft h el o w e rs h e l l c o v e rc o m p o n e n t s ，a n dp r o v i d e r e f e r e n c e sf o rf u t u r ed e s i g n s k e yw o r d s a m m o n i as y n t h e s i st o w e r ；c y l i n d e rs h e l l ；c y l i n d e rs h e l lc o v e r ；c y l i n d e r i i s h e l le n d ；f l a tc o v e r ；s t r e n g t ha n a l y s i s a b s t r a c t i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1研究背景 近年来，世界实体化工发展的一个必然趋势是石油化工企业的生产规模逐渐向 大型化方向发展【l 捌，原因就是生产规模的大型化具有很明显的优越性。据美国能源 部资料显示，建造两座5 0 0 万吨年炼油厂与建造一座1 0 0 0 万吨年炼油厂相比，后 者的生产人员会减少1 6 人，同时劳动生产率将会提高2 1 ，总投资会节约2 0 左右。 建造一座1 0 0 0 万吨年炼油厂与建造四座2 5 0 万吨年炼油厂相比较，3 n - r 费用大约 减少o 1 5 美元m 3 。另外据前苏联研究报告，一座1 2 0 0 万吨年炼油厂和两座6 0 0 万 吨年炼油厂相比，其生产成本降低1 2 一1 5 左右。首先要实现装备的大型化才能 充分的体现石油化工企业规模的大型化 3 ，4 。因此对压力容器的选材、设计、制造及 检验等提出了新的挑战，同时也给压力容器的发展带来了机遇【5 。 石家庄正元化肥有限公司根据自身需要，投资建设2 4 万吨年的氨合成项目，其 关键设备氨合成塔直径为d n 2 4 0 0 。氨合成塔的设计压力p c = 2 2 m p a ，设计温度 t c = 2 0 0 ，氨合成塔的端部结构包括：筒体端部、双锥环、平盖及主螺栓、螺母组 成，同时为满足工艺需求，还包括一些工艺管口，如：进气口、付线口、升温还原 口等。若氨合成塔端部结构发生强度或密封失效，将发生爆炸或者介质泄漏，从而 引起火灾、中毒等危及生命安全的事故，从而导致不可避免的损失，所以氨合成塔 端部强度及密封的设计在氨合成塔设计中是一项最为重要的任务。下封头开口较多， 且设备支撑及内件支撑均设置于下封头，由于其受力较为复杂，无法采用常规方法 对此结构进行强度计算，因此需对下封头组件进行强度分析。 1 2 氨合成塔概述 1 2 1 氨合成塔结构简介 氨合成塔是整个合成氨流程中的核心设备，其主要由平盖、双锥环、筒体端部、 设备主螺栓、简体、球形封头、设备支座及必要的工艺管口组成，它的任务是在一 定的温度、压力及催化剂存在的条件下，将精制的氢氮气合成为氨。本设备的设计 压力为2 2 m p a ，我国固定式压力容器安全技术监察规程【6 j 中就规定了 1 0 0 m p a p s l 0 0 m p a 为高压容器，其中p 为设计压力，所以本设备为高压容器。 1 2 2 高压容器的简介 高压容器随着近代化工工业的迅速发展得到了越来越广泛的应用【7 】。1 8 3 3 年法 国巴黎大学l a i n 6 和c l a p e y r o n 教授得出了厚壁圆筒应力分布公式和平衡公式，提出 1 河北科技大学硕士学位论文 了圆筒内施加压力时其内部的应力分布，这些理论的提出为高压容器的发展奠定了 坚实的基础嘲。 国内外都制定了一系列的压力容器规范，来保证容器在设计寿命内的安全运行， 如我国的g b l 5 0 1 1 5 0 4 - 2 0 1l 压力容器【9 】和j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析 设计标准【1 0 】：其中g b l 5 0 1 1 5 0 4 2 0 1 1 的适用范围为设计压力小于等于3 5 m p a 的压力容器，j b 4 7 3 2 1 9 9 5 的适用范围为设计压力不大于1 0 0 m p a 的压力容器。 g b l 5 0 1 - - - 1 5 0 4 2 0 1 1 采用第一强度理论，设计准则为弹性失效和失稳失效准则， j b 4 7 3 2 - 1 9 9 5 采用第三强度理论是以塑性失效和弹塑性失效为基础的分析设计，是力 学与工程紧密结合的结果【：1 1 】。 1 3 国内外氨合成塔端部研究进展 国内外氨合成塔端部研究工作在近些年取得了良好的进展，其中氨合成塔端部 结构的主要部分如图1 1 所示： 图1 - 1氮合成塔端鄱的结构 l 一简体端部；2 一主螺栓：3 一平盖：4 一垫圈：5 一主螺母；6 垫片；7 一双锥环； 8 一双锥环托板 氨合成塔端部密封结构大都采用双锥密封【1 2 】，双锥密封具有以下优点：1 、结构 简单且制造比较容易，加工的精度要求不高，生产周期相对较短。2 、可用于较高压 力、温度和较大直径的场合。3 、可用于压力和温度变化不是很明显的场合。 g b l 5 0 1 - 1 5 0 4 2 0 1 1 压力容器1 9 】中规定，双锥环密封的使用范围为：1 、设计压 力6 4 - - 3 5 m p a ：2 、设计温度0 - - 4 0 0 c ：3 、内直径为0 4 0 0 - - 血3 2 0 0 m m 。氨合成塔端 部结构不仅要满足结构密封的要求，还要满足结构强度的需求。 1 3 1氨合成塔端部密封研究进展 1 9 5 8 年，b a k o r n d o r f tj 3 对双锥环密封的计算方法进行了详细的阐述，并对 2 第1 章绪论 具有摩擦力的双锥环因介质内压载荷产生的附加螺栓力进行了考虑，但是它忽略了 由于预紧力作用，而在双锥环上产生的环向应力：1 9 6 2 年，m e i n e k e e l 4 j 推导出了双锥 环的假定内径，这个假定内径用于计算螺栓力。1 9 6 7 年，h h b u c h t e r e l 5 j 估算了在比 压达到了内压时螺栓的预紧力，从而在这个基础上对其它的力进行了推导，但是并 未对双锥环的环向应力进行考虑。1 9 7 2 年，w b e r t s c h t l 6 】等对垫片密封比压及双锥 环螺栓力与内压的关系进行了推导，从而对双锥环有效密封力的计算提供了翔实的 理论基础。 19 7 5 年，合肥通用机械研究所高压课题组【l7 j 通过对q ) 9 0 0 m m 的双锥环密封结构 的实验研究，对双锥环密封结构的设计方法进行了初步的论证，并对双锥环密封结 构的设计计算方法提出了进一步的补充。该课题组同时又对大直径的封口双锥环尺 寸的选取与密封比压的选取和双锥环尺寸的选取及其对密封性能的影响等内容进行 了论述和研究。该课题小组还提出了双锥环内径与平盖支承面的径向间隙和双锥环 自紧系数臼c ) 对双锥环密封的性能具有十分显著的影响。1 9 7 6 年，该课题组 基于文献 1 7 的研究进步不气态密封试验【l8 j 进行研究，得出了气密性试验曲线，对主 螺栓的预紧力甄选及其对密封性能的影响进行了详细的研究，同时还分析了密封面 的滑移、压力的多次升降、液压拉伸器的拉伸次数和拉伸力的选取及密封面的表面 粗糙度对密封性能的影响。同年兰石化工机械厂二分厂技术组【l9 】基于双锥密封连接 的变形协调这一客观因素，对双锥环密封结构的工作过程利用解析方法进行了研究， 同时还对工作过程中垫片密封力和螺栓力与介质压力的解析关系进行了分析。研究 结果说明了双锥环密封结构的密封性能与螺栓预紧力的关系并不是很大，对确定预 紧力的依据进行了阐述，其设备主螺栓载荷可控制在1 0 5 1 1 q 。( 流通静压轴向力) 。 1 9 7 9 年，吕理荣等【2 0 j 对内径为9 0 0 m m 的双锥环密封进行了压力为3 1 4 m p a ，温 度为3 0 0 的密封性能试验，对双锥环密封结构的主要密封连接部件温度变化的规律 和预紧力、螺栓力的变化及上述变化对双锥环密封性能的影响进行了研究。试验结 果表明：在高温时，法兰的错动对螺栓的预紧力减小并不敏感，可见其具有较强的 适应性能。并提出了3 0 0 高温时，密封参数的计算方法和选取可依据常温下的结果 进行。1 9 8 0 年，吕理荣等 2 1 】分析了操作工况下和预紧工况下双锥环的受力情况，并 测算了摩擦角，提出了影响摩擦角的几个主要因素，提供了钢一钢、钢一铜、钢一 铝摩擦角的测算数据，为双锥环密封结构的设计计算提供了非常重要的参考数据。 1 9 8 6 年种大鸣等【2 2 】通过大量的试验，探讨了由机械部通用机械研究所发明的新型密 封结构镶丝双锥环密封，该试验探讨了多道镶丝中每一道镶丝的密封作用，镶 丝的道数、镶丝的直径、双锥环的结构尺寸与密封比压和密封面宽度的关系及对密 封性能的影响，通过大量的实验表明：保证密封的首要条件是要有足够的工作密封 比压和预紧密封比压，应做到预紧的密封比压足够大，但是不能过大，因为过大的 3 河北科技大学硕士学位论文 密封比压会造成双锥环镶丝的硬化，影响密封的效果；镶丝直径的大小直接关系到 密封面的比压和宽度；双锥环圆柱面与平盖支承面的间隙g 建议取0 1 o 1 5 倍的 双锥环内圆柱面直径；在介质的压力小于等于3 1 4 m p a 的情况下，取双锥环高度a = ( 1 5 2 o ) d f ( d i 为筒体内直径) ，双锥环厚度b _ - ( o 6 1 2 ) a ，这样能实现较好 的密封性能。 1 9 9 0 年种大鸣等【2 3 】依据试验研究，对加铝垫片的双锥环密封比压y 和垫片系数 m 及双锥环密封面的宽度、双锥环密封面的接触状况等一系列问题进行了研究，并 对国内外现行版本的规范指南和标准中的相关内容提出了相应的见解。同时对加铝 垫片的双锥环密封特性参数：密封比压y 、垫片系数m 和密封面的宽度、密封面的 状况提出了具体的要求。试验还表明：加铝垫片的双锥环在密封面的平均预紧比压 应大于等于5 0 m p a ；基于安全的考虑，建议操作预紧比压y 最小取8 0 m p a ；为保证 密封的可靠性及设计的合理性，应使密封面较窄为好。1 9 9 3 年，岑红【2 4 j 对双锥环进 行了详尽的理论分析、大量的试验研究及合理的有限元计算，发现双锥环的密封性 能与温度的变化有关；当介质压力升到一定的数值时，双锥环内圆柱面与平盖的支 承面之间的间隙对双锥环密封性能有明显的影响。双锥环内圆柱面与平盖的支承面 之间的间隙过小，双锥环的回弹力就会降低，并且双锥环对压力和温度波动的适应 力也会降低。双锥环对压力和温度波动的适应能力随着两者之间间隙的增大而显著 提高，进而双锥环的密封性能亦随之提高。1 9 9 8 年蔡仁良等【2 5 j 针对某一厂家的一台 双锥环密封的高压分离器在非正常操作下出现的泄漏失效情况，采用了p a f e c 这一 大型有限元程序模拟进行全操作过程的有限元分析。在建立的力学与传热计算模型 上模拟了包括预热、正常操作、急冷工况下典型的节点温度与时间变化，垫片应力 与介质内压变化之间的关系，并研究了双锥环内圆柱面与平盖支承面之间的间隙和 密封性能两者之间的关系。试验结果表明，由于温度的变化而致使垫片应力的改变 是密封失效的主要原因，适当的加大双锥环内圆柱面与平盖支承面之间的间隙可提 高双锥环密封对压力和温度波动的适应性。 2 0 0 7 年，于跃【2 6 j 将某厂的蓄能器作为案例，对双锥环密封在实际应用中的问题 作了详细的研究，分析出了双锥环密封不严的原因。研究结果表明，双锥环内圆柱 面与平盖支承面的间隙过大和单个螺栓预紧力过大是造成泄漏的主要原因。2 0 0 8 年， 白海永等【27 j 对直径为2 3 0 0 m m 的氨合成建立有限元模型，进行有限元分析，分析结 果表明：双锥环与简体端部及平盖之间是属于有摩擦的弹性接触问题，它们之间是 通过相互的挤压和摩擦来传递切向应力和法向应力的。同年，韩树新等 2 8 通过对双 锥环密封结构整体有限元模型的建立，主要对双锥密封过程采用非线性接触算法进 行数值模拟，试验所得结果与有限元分析所得结果吻合的较好。在内压的作用下， 运用分析方法及有限元模型对双锥环密封结构进行过程数值模拟，分别得出了操作 4 第1 章绪论 状态和预紧状态下双锥环m i s e s 等效应力和垫片的应力分布情况，及双锥环应变、 双锥环与平盖支撑面间的径向间隙、双锥密封垫片应力分别在预紧载荷及内压载荷 的变化曲线。双锥环与平盖支撑面间的径向间隙若按g 0 1 d 1 进行设计，则双锥环 材料将会整体屈服，从而双锥环失去回弹性能。径向间隙若按g 0 0 5 d , 进行设计， 在加压过程中双锥环的密封则不能保证，所以推荐双锥环与平盖支撑面间的径向间 隙按g ：( o 0 7 5 o 1 ) d 1 。同年，孙振国【2 9 】等对封口内径为3 2 0 0 m r n 的大型氨合成 塔双锥密封进行了结构设计。通过数值模拟，研究了双锥环锥角以及双锥环与平盖 间的径向间隙对密封的影响，提出了大直径双锥密封有效性评判准则，得到了双锥 环与平盖的径向间隙应控制在0 0 4 0 0 8 8 。2 0 0 9 年，周志斌【3 u j 对g 进行探讨，提 出g 值可按g 曲g g 一进行表述，以双锥环材料的屈服强度来控制g m a x 值，并 且建议g m a x 值应尽量大，来获得较大的双锥环回弹力，提高密封性能。2 0 1 0 年盛 水平等【3 1 】对高压容器的双锥环密封结构实际应用中泄漏事故进行分析，并指出在加 压过程中设备螺栓力、平盖圆柱支承面与双锥环内柱面之间的径向间隙及密封垫片 应力都存在一个拐点，此时导致密封泄漏的主要因素就是最小密封比压；对操作工 况主螺栓载荷和主螺栓预紧力进行分析，推导出双锥密封结构操作工况双锥环的回 弹量和垫片密封比压的公式，求出平盖圆柱支承面与双锥环内柱面径向间隙的拐点 压力，且得出此时的最小密封比压；同时考虑了双锥环失稳和屈服，得出双锥环密 封结构的最佳径向间隙范围，并建议g b l 5 0 1 9 9 8 对径向间隙的取值范围进行修改。 垫片是高压密封结构中的关键组件，整个设备的密封性和其性能是有直接关系 的，如碳纤维复合高温密封材料实目前应用较为普遍的【32 1 ，该产品以碳纤维为增强 剂，采用了特殊树脂粘结剂和填料，模压成型，常压约束烧结工艺。主要特点为可 用于高压密封环境下低温和高低温交变、高温的工况下。另外是国外应用较为广泛 的高压缩填充p t f e 弹性垫片材料【3 3 , 3 4 j ，除碱金属络合物外的其他任何介质都不会对 其产生腐蚀，这种垫片能长期应用在2 0 0 2 0 0 高低温的工况下，气体的透过性与 橡胶、石棉等传统材料相比要小很多。 目前高压密封的连接方式主要分为无主螺栓和主螺栓这两种连接方式，其中卡 箍连接是传统的无主螺栓连接。近年来，陆续出现了一些新型的抗剪连接方式【3 5 , 3 6 j ， 主要有抗剪销连接、抗剪螺栓连接和抗剪环连接等几种连接方式。陈平 3 7 , 3 8 研发了 一种新型d 形轴向抗剪螺栓压力容器端盖密封装置。该结构在简体端部的内部放置 容器平盖，在平盖与筒体端部之间采用抗剪螺栓连接，根据密封环的形式可设计成 多种密封结构。该结构比一般卡箍、主螺栓等连接结构具有快速装卸和结构紧凑等 优点。 1 3 2 氨合成塔简体端部及平盖研究进展 1 9 9 1 年郭崇福等 3 9 七3 e 匕tl 山l ig b l 5 0 式( 9 3 2 ) 没有考虑操作时双锥环径向密封力 5 河北科技大学硕士学位论文 f r 对简体端部纵向截面弯矩m 的影响，并且通过计算证明f r 在简体端部纵向截面 上所产生的弯矩在数值上是很大的，不可忽略。在g b l 5 0 式( 9 3 2 ) 基础上增加了 径向密封力f r 对纵向截面产生的弯矩，并提出了一个新的计算公式。 2 0 0 1 年栾春远 4 0 】对g b l 5 0 1 9 9 8 中双锥密封筒体端部弯矩计算公式( 9 3 2 ) 进 行了分析，指出了式( 9 3 2 ) 中弯矩符号错误。根据材料力学弯矩正负号的规定：外 力向上产生正的弯矩，反之产生负的弯矩。 2 0 0 9 年刘国振等【4 l j 指出，压力容器计算软件s w 6 对高压容器筒体端部纵向截面弯矩 的计算，并未对平垫密封和双锥密封进行区分，均按g b l 5 0 1 9 9 8 式( 9 3 2 ) 计算， 而未计入双锥环的回弹力，因此建议在双锥环结构计算时增加回弹力部分。一般的， 简体端部计算所得弯矩为负值，因此计入双锥环回弹力使得弯矩变大，筒体端部的 弯矩应力也随之变大。 19 9 9 年，张卫华等 4 2 】对高压容器平盖开孔采用常规方法及s u p e r s a p 有限元分 析程序进行应力分析，分析结果表明：由于平盖上开孔，则会削弱平盖的强度。应 为常规方法具有局限性，因此理想的选择是采用有限单元法对平盖进行应力分析。 2 0 0 6 年，李疆英等【4 3 j 阐述了高压平盖的两种计算方法，即巴赫法和a s 姚应力 分析法的特点和区别，同时通过比较分析得出a s m e 应力法是基于薄板理论的，因 此a s m e 应力法只适用于点d 1 5 的场合，当容器内压力较高时，则会出现 匹d 1 5 的情况，这时就要考虑选择使用巴赫法进行设计计算，因此设计高压平 盖必须掌握巴赫法。 2 0 1 1 年，高忠大畔】对氨合成塔外直径为1 8 9 0 m m 的高压平盖采用两种工况进行 有限元分析，即单纯内压载荷和内压与温度载荷同时作用下的应力分布情况，指出 平盖开孔较多的截面为危险截面，密封槽区域和开孔区域应力值相对较高。通过分 析校核的结果表明，常规设计法偏于保守。 1 4 应力分类及评定 压力容器设计的主要任务之一是对主要受压元件的各个部分进行应力分析，进 而确定最大应力值，并将最大应力值控制在许用的范围内。事实上，可以从不同的 角度对应力进行分类：按照应力分布的范围可分为总体应力与局部应力两种类型； 按照沿厚度的分布情况则可以分为线性分布、非线性分布和均匀分布这三种应力； 按照应力的性质可以分为一次应力、二次应力和峰值应力三种应力。 1 4 1 应力分类 在压力容器分析设计中，将有限元强度分析结果合理的划分为一次应力( 包括 一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力及一次弯曲应力) 、二次应力和峰值应力 4 5 4 8 1 。 6 第1 章绪论 ( 1 ) 一次应力 一次应力是平衡外加机械载荷所必需的应力。一次应力随着外载荷的增加一次 应力而增加，它必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系这一要求，并且一 次应力不会因为达到材料的屈服强度而白行限制其应力值，因此“非自限性”是一次 应力的基本特征。一次应力又细分为一次总体薄膜应力p 肿一次弯曲应力r 和一次 局部薄膜应力凡。 ( 2 ) 二次应力 二次应力是满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所必须的应力。二次应 力的主要特征是其具有自限性。二次应力典型例子就是筒体与封头连接在一起时为 了消除二者径向位移的不连续所附加的局部应力与弯曲应力。一切总体热应力均属 于二次应力，它是自平衡应力。 ( 3 ) 峰值应力 峰值应力是由局部结构的不连续或者局部热应力的影响所引起的附加于一次应 力与二次应力之上的应力增量。峰值应力的特点是高度的局部性和自限性。 1 4 2 应力强度评定方法 应力强度是复杂应力的当量强度，即按所采用的强度理论对复杂应力状态( 二 向或三向应力) 组合为与单向应力可资比较的当量应力【4 9 1 。应力强度评定就是对所 要考察的压力容器或管道选择高应力区和典型的膜应力区的若干截面以及几个特殊 点，按分析设计规范对其进行评定。应力强度计算方法分为两种，即：点处理法和 线处理法。 ( 1 ) 点处理法 此法是将压力容器各个计算部位，按各自一个点的应力值与标准规范中规定的 应力分类强度条件加以判断。此法的计算步骤是：选取节点坐标、进行应力计算与 分类、对应力分量求和、计算节点主应力，最终确定应力强度。点处理法是具有局 限性的，如果所选节点的应力能代表该区域的应力，则该点能作出该区域的强度评 价，但是单凭一点的应力，还不能评价较为复杂的应力区域的应力强度。 ( 2 ) 线处理法 此法是将容器各计算部位，首先预先选择危险截面，然后把各应力分量沿一条 应力处理线进行均匀化处理和当量化处理，最后再进行应力计算和分类，包括根据 应力分布( 一般用有限单元法计算得出) 如何选择危险截面和应力沿线处理。线处 理法在一定程度上规避了点处理法存在的缺点，但使用线处理法时应注意选取的危 险截面，因为应力处理线的位置和走向是由危险截面的选择决定。危险截面的选择 是关系到计算当量线性化应力大小和计算沿线平均应力的关键程序。 本文采用了线处理法进行线性化处理，计算平均应力与线性应力的主应力和应 7 河北科技大学硕士学位论文 力强度，并按表l 一1 进行强度评定。 表1 - 1 各类应力的强度限制标准 1 5 本文研究内容 本文采用有限元方法对多层包扎简体与单层筒体进行分析比较，并对d n 2 4 0 0 氨合成塔端部密封结构的严密性和结构强度的可靠性进行研究，最后对下封头组件 进行了强度分析，以下为本文主要研究内容： 1 ) 建立多层包扎简体及单层筒体模型，分析两种模型下的应力强度分布情况， 分析单层建模与多层建模的区别，为本文后续研究提供分析依据。 2 ) 建立双锥环密封结构的有限元模型，并采用非线性的接触算法，以不同的双 锥环内圆柱面与平盖支撑面的径向间隙对双锥环密封结构的密封性和结构强度的可 靠性进行研究。 3 ) 分别采用g b l 5 0 常规算法及有限元分析对主螺栓进行设计计算，确定大直 径双锥环密封结构中主螺栓的计算方法。 4 ) 对平盖及简体端部进行结构强度分析，并对平盖和筒体端部进行极限载荷分 析。 5 ) 对下封头组件进行强度分析，并考察氨合成塔内件和自重载荷对下封头的应 力强度的影响。 1 6 本章小结 本章对氨合成塔端部结构进行了概述， 部强度和平盖强度的研究进展进行了介绍： 8 并对国内外氨合成塔端部密封、筒体端 对应力分类与评定进行了说明。 第2 章氨合成塔筒体强度分析 第2 章氨合成塔筒体强度分析 由于氨合成塔设计压力为2 2 m p a ，采用单层卷制筒体计算所得的简体名义厚度 为2 0 3 r a m ，己大于标准中的最大供货厚度2 0 0 m m ，采用锻制简体的造价较高不宜采 用，因此氨合成塔筒体采用多层整体包扎结构。下面对氨合成塔多层包扎简体进行 建模并分析其强度。筒体主要设计参数见表2 1 ： 表2 1 主要设计参数 2 1分析方法 有限元模型【5 0 】单元采用s o l i d l 8 5 单元，筒体与简体之间采用接触分析，接触 问题是一种高度非线性行为【5 1 l 。本模型中共1 3 对接触，接触均属于3 d 面面接触， 采用t a r g e1 7 0 目标单元和c o n t a c t l 7 4 接触单元。 两个接触面之间的渗透量决定着接触刚度 4 9 】的大小。总刚矩阵的病态可能是由 于过大的接触刚度引起并造成收敛困难。而为保证接触渗透足够小，则应选取足够 大的接触刚度，但同时应保证接触刚度足够小以使不会引起总纲矩阵的病态问题， 来保证接触收敛性。有限元分析软件a n s y s 会根据下层柔体单元的材料特性，来估 计一个接触刚度值，接触刚度一般在0 1 1 0 之间，软件的默认值为1 o ，默认值一般 适用于结构整体变形的问题，而对于以弯曲变形为主的情况，推荐使用最小值 0 1 5 2 , 5 3 j 。所以本文中接触刚度f k n 值取默认值1 0 。 在基本的库仑摩擦模型 5 4 , 5 5 】中，两个接触面在相互滑动之前，在它们的界面上 会产生一个达到某一大小的剪应力，此时的状态称为粘合状态( s t i c k ) 。库仑摩擦模 型定义了一个等效剪应力- g ，两个表面之间在剪应力超过等效剪应力t 时将开始相互 滑动，这时的状态叫做滑动状态( s l i d i n g ) 。粘合滑动计算决定什么时候一个点从 s t i c k 到s l i d i n g ，或是从s l i d i n g 到s t i c k 。摩擦系数可以是任一非负数。本文中设定 摩擦系数m u = 0 3 。 本模型采用扩增的l a r g r a n g i a n 方法【淮5 8 】，扩增的l a r g r a n g i a n 方法是为了找到精 9 河北科技大学硕士学位论文 确的l a r g r a n g i a n 乘子，而对罚函数修正项进行反复的迭代，与罚函数相比， l a r g r a n g i a n 算法容易得到良态条件，对接触刚度的灵敏度较小。 2 2多层简体有限元模型及边界条件 由于筒体为轴对称模型，建模时采用1 1 2 模型，实体单元采用s o l i d l 8 5 ，筒 体长度取2 0 0 0 m m 。多层包扎筒体模型见图2 - t 。 边界条件： 位移边界条件：筒体底面施加轴向位移约束；对称面施加对称约束。 载荷边界条件：结构内表面施加内压2 2 m p a ；筒体顶面施加平衡载荷p d ，平衡 载荷按式( 2 1 ) 计算： 只= 揣= 6 8 2 1 7 m p a ( 2 1 ) 一西五两 a ( 玉1 在多层筒体的制作中，都施加了一定大小的预紧力。在内压的作用下，这些预 紧力使得圆筒内壁应力降低，外壁应力增加，厚度方向应力分布均匀：从而提高了 筒体的承载能力。但是由于结构和制造上的原因，要控制预紧力的大小是相当困难 的。因此本文在设计计算时，偏于安全，而没有考虑预紧力的影响。 图2 1多层包扎筒体模型 2 3 多层简体应力分析结果 多层包扎应力云图见图2 2 所示。可见，最大应力发生在内筒的内壁，最大值为 1 8 0 4 5 6 m p a ，最小应力发生在最外层层板外壁，最小值为1 3 6 4 2 1 m p a 。沿厚度方向 1 0 第2 章氨合成塔筒体强度分析 进行线性化处理，得简体一次薄膜应力p m = 15 6 9 m p a ，小于材料设计温度下的许用 应力，所以多层简体满足强度要求。 , l i h 5 y s1 4 0 眦3 12 0 1 2 1 8 ：5 3 ：5 6 n ls o l u t i o n 5 p l s u bt 9 t d l 日b 一1 s i n tl v 6 ) p 口懈r g r d 口h i c ， f c 。i 、1 v r s , 日4 a t 口“9 2 9 e 6 s 州- 1 3 6 4 2 1 s 仪- 1 e 0 4 5 6 麟； 冒瓣曼 i 河北科技大学硕士学位论文 是一致的。两种模型的最大应力误差仅为0 5 5 ，最小应力误差仅为0 3 。但是若 采用多层筒体进行接触模拟，其计算量大，而采用单层筒体更为方便，且不失精度， 因此对简体端部建模时，多层筒体可以简化为单层筒体。 n s y 51 0 m r3 12 0 1 2 1 0 ：5 9 ：3 2 5 p t l s u b - 1 t i ，幅z 1 s i n tc v 6 ) p o w e c g c a p h i e f a c e 可t 1 d m x = 9 2 1 e 1 3 s m n = 1 3 6 b 3 s 。【= 1 9 8 3 8 察| | | 曾瓣量 图2 4 单层筒体应力云图 2 6 本章小结 本章分析了厚壁圆筒不同建模形式下的应力强度，得出了多层简体在无预紧力 的情况下与单层简体的应力分布是一致的，因此建模时以单层筒体代替多层包扎简 体是合理的。 1 2 第3 章氨合成塔上部组件强度分析 第3 章氨合成塔上部组件强度分析 氨合成塔上部组件结构如图3 1 所示：主要包括平盖、筒体端部、双锥环及主螺 栓、螺母等。简体端部有两个进气口，平盖上在1 8 0 0 m m 上有2 个付线口，平盖中 心有一个升温还原口。 图3 1双锥环结构简图 双锥环密封参数设计对密封性能和强度的影响非常大，因为高压容器制造成本 较高，利用实体设备进行试验分析，其代价太大。而计算机技术的迅速发展，线性 或非线性有限元f e n i x 方法在螺栓一法兰一密封垫片系统分析中应用非常普遍【5 9 , 6 0 】。 工程中，直径超过2 m 的氨合成塔均采用双锥环密封结构，并利用有限元对其进行全 面的分析，分析过程包括两种工况，即预紧状态和工作状态。结构的应力强度需同 时满足以上两种工况才可认为结构是安全的。下面首先对氨合成塔上部组件进行常 规计算，得出满足结构需求的参数，然后对结构进行有限元分析，主要研究双锥环 与平盖之间的径向间隙对双锥环的应力分布、预紧工况和操作工况下垫片、双锥环 的应力分布及平盖、筒体端部的受力情况。为了研究双锥环密封结构密封性能与其 影响因素的关系，建立了双锥环密封结构三维有限元模型1 6 1 l ，下面首先采用常规算 法对氨合成塔上部组件进行计算。 1 3 河北科技大学硕士学位论文 3 1 上部组件常规方法计算 首先按g b l 5 0 中规定的方法对氨合成塔上部组件进行设计，计算参数及结果见 表3 1 所示。 表3 1氨合成上部组件采用常规方法计算参数及结果 1 4 第3 章氨合成塔上部组件强度分析 计算压力p 。 设计温度t 腐蚀裕量q 筒材料名称 体 许用应力 材料名称 主 螺 许用应力 公称直径南 螺纹根径4 栓 数量，z 双 锥 环 爿1 32 0 0 占5 2 o o c6 6 o o e1 98 0 0 0 69 9 0 0 d o 3 01 0 0 0 d i 2 40 0 0 0 d 6 2 75 0 0 0 2 2 0 0 2 00 0 0 2 o o m m 2 0 m n i o b e1 89 o o脚a 4 0 c r n i m o a ，r 1 l uj b3 06 0 0 b k2 74 o o 1 40 1 32 0 0 3 2 口a 口a m m m m 个 m m材料名称 m m m m n 伊a 摩 擦 3 5 p = 1 0 。3 1 钢- 铜 p = 8 。3 0 钢- 钢 角p = 1 5 。钢铝 一b 一 该 叫 m m 面积= 彳b 一( 与旦 2 f g 口6 2 。，拍黝： m mh7 2o 0 0 m mh 24 80 0 0 m md l2 05 0 0 密 密封面平均直径m m 封 内压轴向力n 螺 锥环自紧轴向分力n 锥环回弹力的轴向分力n 螺栓受力n 操作 预紧 m m h e m m万。 m r nv 8 45 0 0 1 80 0 0 6 0 7 0 m mc z m md ， g d g = d l + 2 b 一兰 旦留口2 2 4 2 0 9 5 f = 0 7 8 5 d 2 p 。= 1 0 1 2 7 0 5 7 7 = 三6 p c + t g ( 口一p ) 。2 2 1 8 1 7 3 f 。= 3 1 4 f 2 - “兰- g e 留( 口一力= 2 2 2 4 4 3 5 = f + + 只= 1 0 5 7 1 3 1 8 4 呒= 三峨( 么一c ) y s i n ( a + p ) c o s a c o s p ：1 28 7 1 4 8 6 3 0 0 0 2 33 6 o om m 2 5 m m 河北科技大学硕士学位论文 栓 所需螺栓 操作 总截面积 m m 2 预紧 铲爵5 8 1 4 _ 6 小爵州0 6 4 取大值： a m = 3 8 5 8 1 4 6 m 1 1 2 实际螺栓总截面积删n 2 4 = 门署4 2 = 4 3 7 9 1 2 结论：合格 操作 设计载荷n 预紧 纵向断面抗弯模数乙 万= 万。一c = 1 7 8 0 0 m = 睨= 1 0 5 7 1 3 1 8 4 = 0 5 ( a 。+ 爿b 籽】b = 1 2 6 0 3 0 2 9 6 ，。= 2 ( ，。+ 4 ，口? ) = 2 4 8 4 1 4 3 4 0 0 5 z g - 毒= 5 4 3 6 4 5 7 4 r n l t lb = ( d o - o ) 2 - g 23 0 1 0 0 ，一4 一4 5 6 9 4 一可一 m m 3 小。冬_ 4 1 9 4 弯曲应