基于ANSYS的典型压力容器应力分析设计

基于ANSYS的典型压力容器应力分析设计2010年第3期（总第136期）谢业东，农琪（广西工业职业技术学院，广西南宁530001）【摘要】研究从工程实践应用需求出发，采用ANASYS9.0有限元软件对容器进行详细的应力分析计算，对不同类别的应力进行分类和强度评定。应力强度满足分析设计标准，确保了容器的安全可靠性。【关键词】应力；强度；压力容器；分析设计；有限元1研究的目的和意义过去，压力容器及其部件的设计基本采用常规设计法,以弹性失效准则为基础，材料的许用应力采用较大的安全系数来保证，一般情况常规设计仅考虑容器壁厚中均匀分布的薄膜应力，不考虑其他类型的应力，如局部高应力和边缘应力均不考虑等,常规设计不讨论由此而产生的多种失效形式。分析设计以塑性失效和弹塑性失效准则为基础，并引入安全寿命的概念，对具有循环加载特征的部件进行疲劳分析。比较详细地计算了容器和承压部件的各种应力，对应力进行分类，再采用不同的应力强度条件给予限制[1]。本课题研究的目的是对石油化工生产中广泛使用的典型压力容器进行应力分析，应用ANSYS软件编写参数化设计程序，对典型压力容器中的筒体、椭圆形封头、锥形封头，开设人孔、接管等进行应力分析，为压力容器的分析设计提供一种比较通用的设计方法。2钢制压力容器设计的两种规范GB150－1998《钢制压力容器》是以弹性失效准则为理论基础，导出较为简单的适合于工程应用的计算公式，求出容器在载荷作用下的最大主应力，将其限制在许用应力值以内，即可确定容器的壁厚。在标准所规定的适用范围内，按标准要求所设计、制造的容器是安全可靠的。JB4732－1995《钢制压力容器——分析设计标准》是以弹塑性失效准则为理论基础，应用极限分析和安定性原理，允许容器材料局部屈服，采用最大剪应力理论，以主应力差的最大值作为容器发生垮塌和破坏的依据。标准要求对容器所需部位的应力作详细计算，并进行强度评定和疲劳分析。3典型钢制压力容器设计案例分析3.1设计条件3.1.1压力容器设计结构尺寸参数本案例选择石油化工生产中的典型压力容器进行应力分析设计，如图1所示。图1典型压力容器结构图3.1.2操作条件工作载荷：2.5MPa；设计寿命：10年；工作温度：120℃；加压、卸压循环，每小时波动一次，年操作时间8000h。介质：介质为压缩空气、水蒸汽或水。3.1.3设计载荷（１）静强度设计条件计算压力设计温度:最低环境温度-10℃,温度上限安全储备30℃,故设计温度取为150℃；（２）循环载荷条件:每小时工作压力由0~2.5MPa波动一次；设计温度t=150℃。（３）材料的选择①设计温度不超过375℃且不低于－20℃，故选用16MnR板材制作容器筒体与封头，用16Mn锻件制作接管，用16Mn锻件制作接管法兰。②筒体、锥壳、椭圆封头采用16MnR板材，查JB4732－95中的表6－2，设计温度下设计应力强度：弹性模量：。③接管a、b采用16Mn锻件，查JB4732－95中的表6－6，设计温度下设计应力强度：。弹性模量：。（４）疲劳分析免除的判定根据JB4732－95第3.10.2.1条，对常温抗拉强度的钢材，累积循环次数次，可免除疲劳分析。在设计中，包括启动与停车在内的全范围压力循环预计次数为。显然次，故不满足免除疲劳分析条件，容器应进行疲劳分析。3.2典型结构钢制压力容器两种设计计算结果的对比压力容器常规设计[2]与分析设计[3]的计算结果比较详见表1。从表中数据看出，各部分按JB4732-1995计算与按GB150-1998计算进行比较，用分析设计法进行设计，压力容器的壁厚减薄最小为2.46%，最大可达13.41%。从节省材料的角度看，经济效益显著。表1分析设计和常规设计计算厚度的比较各部分元件按JB4732-1995设计结果()按GB150-1998设计结果()上部椭圆封头计算厚度7.928.12上部筒体计算厚度7.068.15锥壳计算厚度20.4422.12下部筒体计算厚度10.5912.23上部椭圆封头计算厚度11.8812.18压力容器分析设计与常规设计的计算结果圆整数值——设计厚度比较详见表2。表2分析设计和常规设计结果的比较各部分元件按JB4732-1995设计结果()按GB150-1998设计结果()上部椭圆封头名义厚度910上部筒体名义厚度910锥壳名义厚度2224下部筒体名义厚度1214上部椭圆封头名义厚度13143.3应用ANSYS9.0对压力容器各部分结构进行应力分析和强度评定（１）上部椭圆封头应力分析和强度评定图2；（２）上部筒体应力分析和强度评定图3；（３）锥壳应力分析和强度评定图4；（４）下部椭圆封头应力分析和强度评定图5；（５）压力容器各元件强度评定详见表3。图2上部椭圆封头应力云图图3上部筒体应力云图图4锥体应力云图图5下部椭圆封头应力云图表3压力容器各元件强度评定序号压力容器元件名称分析路径强度评定计算结论1上部椭圆封头应力分析和强度评定图4上部椭圆封头a-aSII=PL=149.8MPa＜1.5Sm（292.5MPa）SIV=PL+Pb+Q=211.0MPa＜3Sm（585MPa）通过2上部筒体应力分析和强度评定图7上部筒体b-bSII=PL=190.3MPa＜1.5Sm（235.5Mpa）SIV=PL+Pb+Q=275.0MPa＜3Sm（471MPa）通过3锥壳应力分析和强度评定图8锥壳c-cSII=PL=176.8MPa＜1.5Sm（292.5MPa）SIV=PL+Pb+Q=182.1MPa＜3Sm（585MPa）通过4下部椭圆封头应力分析和强度评定图9下部椭圆封头d-dSII=PL=182.1MPa＜1.5Sm（292.5MPa）SIV=PL+Pb+Q=253.1MPa＜3Sm（585MPa）通过表中：SI——次总体薄膜应力强度，MPa；SII——次局部薄膜应力强度，MPa；Sm——次薄膜（总体或局部）应力强度加一次弯曲应力强度，MPa；SIV——次加二次弯曲应力强度，MPa；PL——次局部薄膜应力，MPa；Pb——次弯曲应力，MPa；Q——二次应力，MPa；3.4疲劳强度评定在整个容器结构中，上部筒体接管根部内侧的圆角过渡处应力最大(见图2)。容器结构各点操作状态相同，故选择此处进行疲劳评定。总循环次数n1=8×104次此处峰值应力强度SV=275.0MPa（１）正常工作循环应力幅值（２）气密性试验循环气密性试验压力取为设计压力。（３）水压试验循环取水压试验温度为常温，JB4732-1995表6-6,得S0=173MPa代入试验压力计算式（４）累计损伤校核用度系数4结论和展望本文通过对典型结构钢制压力容器的案例分析计算，得到了压力容器的变形和壳体的应力云分布图，对压力容器各处的应力进行强度评定，由应力强度条件可知，压力容器各处应力均满足应力强度条件，通过应力分析得出以下结论：（１）与常规设计方法相比，采用分析设计法是以弹塑性失效准则为理论依据，应用极限分析和安定性原理，允许容器材料局部屈服，采用最大剪应力理论，以主应力差的最大值作为容器发生垮塌和破坏的依据，分析设计更具合理性。（２）与常规设计方法相比，采用分析设计法可以取更高的许用应力强度值，即更高的设计应力强度，由于对各处的应力作精确的计算，对选材、制造、检验提出了更高的要求，从而确保了容器使用的安全性；（３）与常规设计方法相比，采用分析设计法可以明显节省材料，减小壁厚，成型设备和运输工具要求相对较低，焊接材料和焊接工作量也因此相对减小，对于压力高、口径大的容器用分析设计法较为有利，因而更具经济性。（４）与常规设计方法相比，采用分析设计法要求以应力分析报告为基础，因而提供了详细的应力分布情况，对采用新结构、新工艺、新材料、新工况的设备更具科学性和可靠性。压力容器的基本要求是安全性和经济性。安全是核心问题，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。保证安全，不是盲目地增加壁厚、提高材料品质，而应从合理的结构设计、精确的强度计算、合理的材料选用以及正确的技术要求等方面着手。我们相信，随着计算机技术和有限元技术的不断发展，参与程序开发的设计人员日益增多，我国钢制压力容器的分析设计的应用将会更加普及和广泛，以满足石油与石油化学工业、核能工业、冶金工业、机械工业等行业的迅速发展对压力容器大型化、复杂化、高参数的需求。参考文献[1]李建国.压力容器设计的力学基础及其标准应用[M].北京:机械工业出版社,2005.[2]国家技术监督局.GB150.1998.钢制压力容器[R].北京:中国标准出版社,1998.[3]全国压力容器标准化技术委员会.JB4732.1995.钢制压力容器——分析设计标准[R].北京:中国标准出版社,1995.作者简介：谢业东（1966-），男，广西邕宁人，硕士，副教授，教学团队带头人，研究方向：压力容器设计与制造。【基金项目】2009年广西教育厅科研项目(200911MS336)，项目主持人：谢业东。