承压设备应力分析大作业

1、DN800容器应力分析报告Stress Analysis Report浙江大学化工机械研究所 Institute of Process Equipment，Zhejiang UniversityApr., 2014 DN800容器应力分析报告Stress Analysis Report计算编制： 高晓斐21328016(PRE.)校 核： (CHK.)审 核： (REV.)批 准： (APR.)浙江大学化工机械研究所 Institute of Process Equipment，Zhejiang UniversityApr., 2014目 录1 设计依据12.1 用户委托数据（表1）22.2

2、计算条件22.2.1设计工况下的载荷计算条件（表2）22.2.2设计工况下的材料性能（表3）32.2.3正常操作工况疲劳计算条件（表4）33 罐体主要部件厚度的初步计算43.1 筒体厚度43.2 封头厚度43.3开孔接管补强结构尺寸的初步确定44 分析与计算54.1 分析方法54.2 力学计算54.2.1力学模型54.2.2边界条件74.2.3设计工况计算84.2.4应力线性化85 应力强度评定106 疲劳强度评定127结论138 技术要求14附录1：模型设计工况下应力线性化数据15III1 设计依据（1）TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程（2）JB4732-95钢制压

3、力容器分析设计标准(2005年确认版)（3）承压设备课程大作业提供的容器参数。2 设计参数与载荷分析2.1 用户委托数据（表1）设计参数和条件如表1所示。表1 容器设计参数与条件表设计压力 /MPa1.0操作压力 /MPa0.20.8设计温度 / 250 试验温度 / 20腐蚀裕量 /mm2接管N1材料16Mn 筒体直径 /mm2000封头类型标准椭圆形年交变次数(正常工作) /次3652=730设计寿命15年总循环次数 /次73015=109502.2 计算条件2.2.1设计工况下的载荷计算条件（表2）表2 设计工况下的载荷计算条件表设计工况温度 /250压力 /MPa1.02.2.2设计工

4、况下的材料性能（表3）表3 设计工况下材料性能表（泊松比取0.3）设计工况筒体Q345R（616 mm）Sm 1 /MPa167E /MPa1.88105封头Q345R（616 mm）Sm 2 /MPa167E /MPa1.88105接管16Mn 锻件Sm3 /MPa167E /MPa1.881052.2.3正常操作工况疲劳计算条件（表4）表4 正常操作工况疲劳计算条件表设计寿命15年总循环次数变压工况10950设备正常工作时加压、卸压， 年交变工况为730次，设计寿命为15年，总循环次数为10950。3 罐体主要部件厚度的初步计算采用JB4732-95（2005年确认版）的有关计算公式求得各

5、部件厚度。因物料密度较小，不考虑介质静压。取钢板负偏差C1=0.3。.3.1 筒体厚度计算厚度：=6.01 mm式中：K为载荷组合系数取1.0，pc为筒体计算压力取1.0 MPa，Sm1为Q345R（小于16mm）设计应力强度取167 MPa。设计厚度：d=+C2=6.01+2=8.01 mm名义厚度：取n=10 mm。要求筒体成形后最小厚度为9.7 mm，则实际建模壁厚为7.7mm。3.2 封头厚度标准椭圆形封头的计算厚度，按JB4732-95钢制压力容器分析设计标准(2005年确认版)图7-1中参数为r/；K为载荷组合系数取1.0；pc为封头计算压力取1.0 MPa；Sm1为Q345R（6

6、16 mm）设计应力强度取167 MPa。设计厚度：d=+C2=8.64+2=10.64 mm名义厚度：取n=6 mm要求封头成形后最小厚度为10.56 mm，则实际建模壁厚为8.6 mm。3.3开孔接管补强结构尺寸的初步确定设计条件中，压力变化幅度大、交变次数多，结构尺寸主要由疲劳载荷确定。为降低制造成本，本设计采用厚壁管来提高设备的疲劳寿命。表5列出各开孔接管的尺寸参数。表5 开孔厚壁接管补强结构尺寸 （mm）序号接管位置接管内直径厚壁管外径壁厚伸出长度角焊缝高度数量接管N1上封头中心径向开孔11001180402002514 分析与计算4.1 分析方法采用ANSYS15软件，使用N-mm

7、-Pa单位制。完整的结构分析应考虑以下载荷：压力作用，液柱静压力作用超过设计压力的5 %时应计及液柱静压的作用；设备的自重作用, 还有其他载荷。力学模型 ：含筒体、封头、接管，使用solid45单元。主要考核上封头和筒体的连接处以及封头上接管。对于静强度分析，查看壳体所有结构不连续部位的应力情况，得出壳体中性面和内、外表面的应力强度值，依据强度判定准则，进行应力分类校核。对于疲劳分析，考虑在变压情况下疲劳循环设计操作次数10950次，根据工作载荷和工作温度循环下由模型计算的Sv值，查疲劳曲线，得到工作许用循环操作次数，将其与设计循环次数进行比较，从而判断该容器能否满足疲劳强度要求。完整的塔分析

8、应考虑以下载荷：压力载荷，液柱静压力作用超过设计压力的5 %时应计及液柱静压的作用；罐的自重载荷；接管引起的载荷与偏心载荷。因为外部管线固定良好且对接管的作用力相对于罐内壁所受内压来说很小，所以本项目计算时不考虑外部管线对接管的附加作用力以及偏心载荷。基于以上分析，本设备整体模型主要计算以下工况：设计工况+自重 对于静强度分析，查看壳体所有结构不连续部位的应力情况，得出壳体中性面和内、外表面的应力强度值，依据强度判定准则，进行应力分类校核。建模时，筒体、封头和接管等受压元件均采用有效厚度或成形后最小厚度减腐蚀裕量。例如，筒体内径2000mm，成形后最小厚度为7.7 mm，则分析模型中的接管内径

9、为1100 mm、外径为1180 mm。4.2 力学计算4.2.1力学模型力学整体模型与传热整体模型相同，如图1所示，包括部分筒体、上椭圆形封头、开孔接管。有限元建模时，建立四分之一整体模型，采用实体单元solid45，网格划分如图23，模型总共划分了68230个单元，81371个节点。图1 整体模型图图2 网格总体划分图图3 局部网格划分图4.2.2边界条件图4中，整体施加重力加速度，所有与操作介质接触面施加内压力，接管端面施加等效拉应力，筒体底部约束轴向位移。接管断面施加等效拉应力内壁面与气体接触的地方施加压力约束轴向位移施加对称边界条件图4 力学模型及边界条件设置4.2.3设计工况计算设

10、计工况：p=1.0 MPa，t=250 ，上封头接管等效拉应力=45.5 MPa，不施加重力加速度。 设计工况下模型的第三强度当量应力分布云图分别如图5-7所示，该工况下最大应力强度为371MPa。图5 设计工况下，模型外表面第三强度当量应力分布云图(单位：103MPa)图6 设计工况下，模型内表面第三强度当量应力分布云图(单位：103MPa)图7 设计工况下，模型接管焊缝处第三强度当量应力分布云图(单位：103MPa)4.2.4应力线性化在设计工况下，取5条路径对模型进行应力评定，选取的路径如图8所示，图8中标示的路径15应力线性化数据列入附录1。路径1路径5路径4路径3路径2图8 模型应力

11、分析路径5 应力强度评定本报告强度评定方法依据JB4732-95（2005确认版）进行，应力线性化路径的选取原则是：（1）通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径；（2）对于相对高应力强度区沿壁厚方向设定路径。在应力校核中，对于二分之一模型，壳体、封头和接管设计应力强度根据各条路径的位置不同按表3取值。位于焊缝连接处的路径，其应力校核中的材料设计应力强度按两种材料中的强度较低的材料取值。（3）模型进行应力强度评定时，对设计工况进行评定（K=1，路径线性化数据见附录1）。（1）路径1的应力强度评定筒体的材料为Q345R，设计工况下的设计应力强度为Sm=196 MPa。评定结果列

12、于表6。表6 路径1的应力强度评定结果存在的应力种类及组合整体模型上应力强度/MPa设计应力强度的许用极限/MPa评定结果路径1强度限制许可值Pm80.72KSm196合 格注：在计算包括二次应力强度的组合应力强度时，应选用工作载荷进行计算。本报告中均选用设计载荷进行计算，这对于分析结果是偏于安全的。（2）路径24的应力强度评定封头的材料为Q345R，设计工况下的设计应力强度为Sm=196 MPa。封头上接管的材料为16Mn ，设计工况下的设计应力强度为Sm=163 MPa。从偏安全考虑，取路径24上的许用应力强度为接管的设计应力强度，即取Sm=163 MPa，评定结果列于表7。表7 路径24

13、的应力强度评定结果存在的应力种类及组合整体模型上应力强度/MPa设计应力强度的许用极限/MPa评定结果路径2路径3路径4强度限制许可值PL4.47945.106714.7381.5KSm244.5合 格PLPbQ7.092411.624123.013Sm489合 格（3）路径5的应力强度评定结果封头的材料为Q345R，设计工况下的设计应力强度为Sm=196 MPa。评定结果列于表8。表8 路径5、11的应力强度评定结果存在的应力种类及组合整体模型上应力强度 /MPa设计应力强度的许用极限/MPa评定结果路径5强度限制许可值Pm62.178KSm196合 格（4）路径6的应力强度评定结果封头的材

14、料为Q345R，设计工况下的设计应力强度为Sm=196 MPa。筒体的材料为Q345R，设计工况下的设计应力强度为Sm=196 MPa。两种设计应力强度相同，取路径6上的许用应力强度为封头的设计应力强度，即取Sm=196MPa，评定结果列于表9。表9 路径6的应力强度评定结果存在的应力种类及组合整体模型上应力强度/MPa设计应力强度的许用极限/MPa评定结果路径6强度限制许可值PL40.1591.5KSm294合格PLPbQ42.6913Sm588合格（5）路径78的应力强度评定结果接管的材料为16Mn ，设计工况下的设计应力强度为Sm=163 MPa。评定结果列于表10。表10 路径78的应

15、力强度评定结果存在的应力种类及组合整体模型1应力强度/MPa设计应力强度的许用极限/MPa评定结果路径7路径8强度限制许可值PL23.8726.79621.5KSm244.5合格PLPbQ64.0767.40253Sm489合格6 疲劳强度评定设备正常工作时，工作温度为250，压力变化范围为0.20.8 MPa。应力幅值 ：Salt10.5174.37(0.7+0)/0.7=87.185 MPa；考虑温度修正后为：Salt1Salt1E/Et =87.185192/191=87.641 MPa。查 JB4732 表C-1，该应力幅值对应的允许最大循环次数N106次，根据设计条件，变压工况下的总

16、循环次数为5.3105106N，所以该设备在变压工况疲劳校核合格。7结论通过以上力学模型的应力强度分析评定和疲劳计算表明，DN800容器能满足JB4732-1995 钢制压力容器分析设计标准（2005年确认版）所规定的应力强度与疲劳强度要求，在设计寿命期内可以安全使用。8 技术要求（1）壳体用Q345R板按GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板的规定，正火状态交货；16Mn锻件应符合NB/T47008-2010承压设备用碳素钢和合金钢锻件中的级。（2）壳体及零部件的焊接坡口表面均应进行磁粉检测,并符合JB/T4730.4-2005中的级，不得有任何裂纹等缺陷存在。（3）除注明外, 角焊缝的

17、焊脚高度为较薄件的厚度, 法兰的焊接按相应的法兰标准, 所有A、B类焊接接头应打磨至与母材齐平不许保留余高。接管与壳体、支座垫板与壳体之间的角接接头均需按图样要求打磨成光滑过渡。不得使用硬印作为材料标记和焊工标记。（4）C、D类焊接接头，DN250 mm 接管的对接接头以及非受压元件与容器相连的焊接接头应进行磁粉检测合格级别按JB/T4730.4-2005 I 级合格。（5）上封头成形后的最小厚度不得小于5.5 mm；筒体成形后最小厚度不得小于5.5 mm。（6）水压试验合格后，打开上部法兰盖进入设备内部安装，下封头处的不锈钢丝网应完整、无破损保证拼接处互相重叠尺寸不小于300 mm，且用压条

18、压紧重叠部分，注意检查压环结压条固定螺栓应拧紧。（7）设备外表面除法兰面外均应清理除锈符合GB8923-88的St3级要求，并按业主要求涂漆。（8）安全阀安装在管路系统上。附录1：模型设计工况下应力线性化数据（1）设计工况下，模型应力线性化数据Object NameStress IntensityLinearized Stress IntensityLinearized Stress Intensity 2Linearized Stress Intensity 3Linearized Stress Intensity 4StateSolvedScopeScoping MethodGeometr

19、y SelectionPathGeometryAll BodiesPathPathPath 2Path 3Path 4ResultsMembrane80.72 MPa4.4794 MPa5.1067 MPa14.738 MPaBending (Inside)0.73869 MPa4.3353 MPa8.8854 MPa116.8 MPaBending (Outside)0.73869 MPa4.3353 MPa8.8854 MPa116.8 MPaMembrane+Bending (Inside)79.981 MPa7.0924 MPa11.624 MPa123.01 MPaMembrane+

20、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-003 MPa11.099 MPa166.46 MPa11.604 MPaPeak (Center)5.4554e-003 MPa2.4723 MPa4.0422 MPa5.9789 MPaPeak (Outside)5.7125e-003 MPa3.5061 MPa7.922 MPa12.205 MPaTotal

21、(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 MPaObject NameLinearized Stress Intensity 5Linearized Stress Intensity 6Linearized Stress Intensity 7Linearized Stress Intensity 8StateSolvedScopeScoping MethodPathPathPath 5Path 6Path 7Path 8Geom