基于ANSYS对压力容器的应力分析与结构优化 压力容器的安全与结构设计

董龙梅杨涛孙显（内蒙古工业大学机械学院，呼和浩特010051）j应用ANSYS软件对平板封头压力容器进行应力分析和结构优化设计。结合机械优化设计方法，采用ANSYS软件中提供的一阶优化方法，得到方案，在满足应力强度要求下容器重量j下降4.7，优化结果明显。该方法对压力容器在工程中的应用起到一定作用。

　　j：ANSYS；压力容器；应力分析；结构优化随着核容器和大型化高参数化工容器的***使用，以往所采用的基于弹性失效准则的按“规则设计”方法已不能完全适应工程设计的要求，基于塑性失效准则的分析设计越来越多的应用到现代容器的设计中。分析设计的基础首先是对容器关键部位进行应力分析，对载荷和应力进行分类。ANSYS作为通用有效的有限元软件之一，在压力容器的应力分析设计中得到了***应用。

　　在传统的压力容器设计中，为了保证容器的安全性，设计者总是尽量增大容器的壁厚，以增强容器的承压能力。随着分析设计概念的提出，设计者越来越多地对压力容器结构进行优化设计。

　　优化设计是一种寻找确定优化设计方案的技术，优设计方案可以满足所有基本设计要求，而且所需支出如重量、体积及成本）为小。优化设计的对象很***，比如，尺寸如厚度）、形状如过渡圆角的大小）、支撑位置、自然频率、制造成本，以及材料特性等。为了提高平板封头压力容器的可靠性和安全性，减轻容器重量，使容器中应力分布更加均匀，过有限元软件ANSYS，结合机械优化设计方法，采用一阶优化方法进行特定压力容器的机械优化设计。

　　1压力容器的应力分布压力容器设计时，一般首先按照“等安全裕度”准则，对压力容器中的应力进行分类，然后按照各种应力的作用及性质判断其危险性而给予不同的控制值。

　　压力容器中，由内压产生的薄膜应力为一次总体薄膜应力Pm；由满足结构连续所需要的自平衡应力威二次应力Q，其发生在结构的不连续处，可以由机械载荷或热膨胀差引起；由局部结构不连续和局部热应力的影响产生的应力为峰值应力F；由内压或其他机械载荷在结构不连续区产生的薄膜应力为一次局成面，建立二维模型，结构采用ANSYS软件提供的8个节点的轴对称单元PLANE82划分网格。

　　2.3施加载荷及应力分布压力容器内表面承受的内压力为设计压力2.1MPa，平板封头对称面施加对称约束，筒体端部施加轴向约束。求解得应力结果，如所示。

　　迭代次数网4状态变童随优化次数的变化规律f*2优化前棋萤应力云田从应力云图中，可见大应力强度出现在不连续几何部分，即应力释放槽圆弧上，大应力值为241.49MPa. 3优化设计3.1优化参数设计优化方法是使单个函数目标函数）在控制条件下达到小值的方法，一般分为两种方法：零阶方法直接法）和一阶方法（间接法）。一阶方法是使用偏导数，即使用因变量状态变量和目标函数）的一阶偏导数，精度很高，尤其是在因变量变化很大，设计空间也相对较大时。

　　为了对平板封头压力容器模型进行分析，得到优化设计方案，采用了ANSYS软件所提供的一阶方法。在进行优化设计时，选定厚度TbT2作为优化设计变量。容器的大应力值SMAX作为优化设计的状态变量。压力容器重量WT为目标函数。优化设计时仍采用ANSYS有限元软件提供的8个节点的轴对称单元PLANE82，大迭代次数20次。

　　3.2优化结果通过上述优化方法进行参数优化设计，并且得出相应的优化结果，其中设计变量Ti、T2随迭代次数变化，如所示，状态变量SMAX随优化次数的变化规律，如图所示，目标函数WT随优化次数的变化规律，如所示。

　　制40迭代次数设计变量rlT：r3随迭代次数变化困目标凼数ffT随优化次数的变化规律由图中可以看出，各状态变量及目标函数随迭代的次数的增加向佳设计方案逼近，由曲线变化可以看出逼近效果良好。3.3优化后容器各参数变化优化前后主要参数变化情况，如表1所示。

　　表1优化前后主要参数对照表参数优化前优化后从优化前后结果可以看出，压力容器筒体半径Ti从19mm降到17.018mm，平板封头厚度T2从58mm降到57.620mm，目标函数WT下降了大约4.7，大应力值也有所下降，优化效果明显。

　　4结论应用有限元软件ANSYS对压力容器进行结构优化，在容器重量WT下降低了大约4.7基础上，结构不连续区大应力值也有所下降，优化结果明显，满足了技术指标及机构轻量化的目标，进而很大程度上减少了设计及制造成本，使产品设计更为合理。

压力容器的安全与结构设计

　应用化工压力容器的安全与结构设计吴润庆广东省石油化工设计院，广东广州构和强度设计同样重要。就压力容器结构设计的般原则和结构设计常遇到的如克体接管开孔开孔补强和焊接结构的设计实例予以阐述。

　　在压力容器的破坏事故中，有相当部分是由于结构设计不合理引起的。结构设计不合理，往往使得压力容器在制造或使用过程中容易产生应力集中。合理的结构设计，首先要求其结构便于制造，有利于保证质量和避免或减少制造缺陷。其次是要求其结构便于无损探伤，使制造和使用中产生的缺陷能及时并准确地检查出来。结构设计还要考虑尽量降低局部附加应力和应力集中，因为局部的高应力区会成为断裂破坏之源。因此，设计合理可靠的结构是和强度设计同样重要的。

　　1压力容器破坏事故原因分析角焊缝结构未焊透某化肥厂合成（解释:由几个部分合并成一个整体)工段级卧式氨冷器发生事故。该设备管程设计压力为20MPa壳程设计压力16肘，4工作温度25，50封头与管板的材料都是20断口都发生在管板与封头连接的环焊处，从断口上看到焊缝根部未焊透严重，多者占周长的8傲，深2，4**深处达6，断口中部封头和管板连接处的单面坡口角接环缝正处在结构不连续（Continuity)处，焊缝根部应力值很高。

　　通过计算明，该焊缝内面轴向弯曲应力己超过材料的屈服强度，又因未焊透引起了应力集中，故在焊缝根部产生裂纹并扩展。此外，由于焊缝根部管板侧有半径=5，纟环形槽，它将干扰超声波探伤，因此焊缝质量难以保证。

　　从以上分析可知，其(blow up)主要是由于结构设计上采用了单面焊坡口形式，在焊接过程中产生了严重的根部来焊透等缺陷；同时，在实际运行中频繁开停，使压力温度波动，形成疲劳循环的工作环境，**终导致疲劳裂纹扩展而引起的。

　　类压力容器和压力罐设计审核资格。电话020812176691叫2005081631 12不合理开孔和制造缺陷820，设计压力为1.6，3为了防止腐蚀，塔上部段筒体约5，1长选用了1厚的12，13板材，其余部分均为10，的人3钢板，在操作压力为0 88肘，时发生，距塔顶部2，1处第道环焊接缝及该处纵焊缝全部炸裂。现场分析看，塔体焊接质量太差，对该炸裂口焊缝所作的射线探伤巡查结果明，全部环焊缝有极其明显的母材未熔合，连续点状夹渣，气孔及细小裂纹；纵焊缝除有上述致命缺陷外，还有严重的焊接咬边现象，咬边深度达2，3mm.此外，在纵焊缝上还极不合理地开有个，450的入孔，在应力集中区造成局部的高应力状态。加之，焊缝中的裂纹及未溶合部分在长期生产中被腐蚀，有些地方*剩有31多，难以承受操作压力。

　　2结构设计的般原则21截面突变的不连续处应圆滑过渡在压力容器各受压元件的连接处，常有几何形状突变或其它结构上的不连续。储气罐专门用来储存气体的设备，同时起稳定系统压力的作用，根据储气罐的承受压力不同可以分为高压储气罐，低压储气罐，常压储气罐。在这些部位都会产生较高的不连续应力或称边缘应力。不同的连接边缘，有不同程度的边缘效应，有的边缘效应***，应力可达到很大的数值。但是，边缘应力有其特点，即影响范围小。这些应力只存在可连接处附近盖与圆筒的连接边缘，圆筒的轴线方向Xj5RS处，可视边缘应力衰减趋于零22.

　　由于边缘应力具有局限性，因此在压力容器结构设计中，般采用圆弧过渡或斜坡过渡的方法来降低局部的不连续（Continuity)应力水平。如对椭圆形封头和蝶应力的影响区。对边缘强度不足的无折边锥形封头作局部加强，以及避免采用容器筒体与端盖连接的平板角焊结构。

　　22焊缝错开并尽量远离应力集中区从前述事故分析可知，事故大多数是由于裂纹和尖锐的缺陷所造成的。而他们往往起源于焊缝及其热影响区，特别在焊缝交叉处和未焊透的角焊缝处产生这类缺陷的概率较大。容器焊接时，热源对焊接构件形成不均匀的温度场，产生不均匀的残余应力。所以实际焊接容器中的残余应力，随焊接构件的形状尺寸焊缝布置焊接工艺不同而变化，焊接容器存在的残余应力是复杂的。在结构设计中，不*要尽量减少焊接结构本身的应力集中，而且还要使焊缝尽可能的远离接管支座等其他应力集中区，以避免互相重叠造成局部的高应力状态。

　　23避免采用刚性过大的焊接结构和静不定结构刚性过大的焊接件，不*因施焊时的膨胀和收缩受到约束而产生较大的焊接应力，而且在操作条件波动时，还会因变形受限制而产生附加弯曲应力。

　　卧式容器应尽量采用静定的双支座结构。

　　3结构设计原则的应用31壳体接管开孔工艺接管与容器壳体及开孔补强圈连接的接头处拘束度大，存在较大的应力集中，加之焊缝金属通常比母材塑性低，焊缝根部及焊接热影响，在疲劳载荷如循环压力和温度（temperature)振动等作用下，易成为裂纹的起源。从焊接施工操作看，这类焊缝是容器上所有焊缝中**难控制，也是**易产生问的地方如事故。因为目前壳体上的马鞍形开孔仍大量采用气割气刨等手工开孔方法，不易保证坡口角度及钝边尺寸；坡口面的氧化皮较难去除，施焊接管的操作位置又往往不利于焊工控制成型等，所以极易产生裂纹未焊透夹渣未溶合等缺陷。可以说，开孔接管等几何不连续部位是压力容器的真正薄弱环节。这些部位的完整性，很大程度上决定了压力容器的安全使用寿命。

　　疲劳断裂失效约占金属失效结构的4傲，ASE认为，接管的设计应考虑比较大限度地降低应力集中。**安全的容器是在容器上所有部分都具有比较低的总应力次应力及应力集中等，而不是在次膜应力上取比较大的安全系数，而不管局部应力集中。所以，有效的降低应力集中，是设计容器与接管焊接接头时应给予足够重视的问。

　　32开孔补强结构形封头按阳4746设置足够大的过渡圆弧，且留有直边，使压力容器强度较薄弱的焊接接缝离开边缘补强圈补强是**常的补强结构，但这种结构存在以下缺点

　　①搭接结构容易产生较大的局部应力并导致焊接裂纹，对淬硬性强缺口敏感性高的低合金钢就更为不利

　　②搭接的补强圈结构没有和壳体接管形成整体，其抗疲劳性能差。据介绍，带补强圈结构的筒体，其疲劳寿命比未开孔时降低3脱左右。因此，这种结构般用于静压常温的中低压容器。8150限制其使用范围为，钢材的标准抗拉强度下限值，1540厘，补强圈厚度小于或等于焊件的厚度确定的。定范围的厚度往往有几种接头型式可供选择，这就要结合容器制造厂所具备的条件来决定。如有的厂机加工能力较弱，选用型或又型坡口形成的接头就比较好，因为这些坡口的加工只需要半自动气割机即可。如选用。型或双。

　　型坡口形成的接头，就需要在机床齐备的工厂加工。

　　但型坡口往往填充金属较多，焊接效率低，焊接155为壳体开孔处名义厚度；壳体名义厚度3381.此外，补强圈结构还有补强区分散及补***率不高的缺点。分气缸锅炉的主要配套设备，用于把锅炉运行时所产生的蒸汽分配到各路管道中去，分汽缸系承压设备，属压力容器，其承压能力，容量应与配套锅炉相对应。分汽缸主要受压元件为：封头，壳体材料等。所以在可能的条件下，应该用厚壁管补强来代替。

　　内伸式厚壁管补强结构，能使所有用来补强的金属材料都直接处在比较大应力的区域内，因而能更有效地降低开孔周围的应力集中程度，其应力集中系数比开平齐接管下降4比较好的补强结构是整体锻件补强33其补强材料集中于应力比较大的部位，补***率高，焊缝为对接，抗疲劳性好，疲劳寿命比不开孔的筒体*降低10，1观，主要用于承受高压高温低温或反复载荷的设备开孔。压力容器能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为***，它在工业、民用、**等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。目前对于圆筒体开孔，此结构还不常用，因为加工较困难，要有专用机床。球形容器补强采用此结构较多，因结构形状规则，容易制造加工。

　　应力大，变型大，对抗裂性差的钢种不适用。所以对板厚度较大的，在有条件时应尽量选用u型或x型坡口形成的接头。前述事故1中的管板与封头连接如改为。型坡口对接接头4，采用手工电弧焊中增加了两种氩弧焊打底的单面手工电弧焊工艺，就能达到单面焊双面成型的要求，焊缝质量即可大为改善。

　　333尽量降低焊缝的应力集中焊缝的应力集中可以是结构造成的，如角接结构应力集中就比较高。

　　如果坡口开得合适，焊接时使焊肉圆滑过渡则使应力集中减缓。更多的焊缝应力集中是由于设备制造时焊缝的各种外部缺陷造成的局部结构不连续所引起的事故。如错边5角变形6以及加强高过高7等。

　　33焊接结构设计331合理的焊接接头焊接是容器制造的重要环节，在保证质量的前提下，焊接接头设计般有如下要求，焊接缝填充金属应尽量少；合理选择坡口角度钝边高根部间壁等结构尺寸，使之有利于坡口加工及焊透，以减少各种焊接缺陷产生的可能性；

　　③按等强度要求旱条或焊丝强度应不低于母材强度；焊接缝外形应尽量连续圆滑减少应力集中。

内容来自网络，更多精彩请查看：锅炉行业网，中国锅炉网