薄板压力容器盖的热-结构耦合有限元分析 简单介绍下压力容器的基本结构

薄板压力容器盖的热-结构耦合有限元分析张爱梅，张媛，孟春玲（北京工商大学机械自动化学院，北京100037）载荷作用下的温度场、应力及变形，并进行了热-结构耦合分析，得到并分析了簿板结构的压力容器盖在实际工况下的应力场，校核了其安全性，为簿板承压结构更深入地分析研究提供理论。

　　一定温度下薄板承压结构的安全性至关重要，而工作状态下的安全性测试非常困难，且危险性。传统设计中往往以**其经济性来保证设备的安全运行，而有限元方法为模拟分析并校核其安全性提供了***的功能，使设计者安全并较准确地在正式投入使用前预知压力容器危险区域，并做相应的防范措施。用大型有限元分析软件ANSYS对薄板结构压力锅盖进行有限元分析，计算了压力容器盖在热膨胀和压力载荷下的应力及变形，分析了温度及压力对压力容器盖安全性的影响，从而为薄板承压结构的进一步分析研究提供理论。

　　1有限元分析方法11热分析有限元热分析用于计算压力容器盖的温度分布。

　　在正常工作状态下，系统卸压前，压力容器基本处于稳态，即Qs入+Q生成-Qs出=0也即T= 2热应力分析热应力有限元分析过程可采用顺序法和直接法。顺序法是将热分析求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中，直接法则使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构分析的结果。一般情况下，建议采用顺序法，这样可以分别进行热分析和结构分析；如果需要研究热分析和结构分析相互影响的问题，则应采用直接法。

　　本文采用顺序法进行分析。以结构边界条件和载荷以及热分析所得节点温度计算单元刚度矩阵e单元节点载荷p e单元节点热载荷p据假设的位移模式，利用平衡条件及变分原理推导整体刚度矩阵和载荷向量P，P，求得节点位移W，由单元节点位移We及温升At'，计算获得总应变X及热应变Xt，则应力e=D（X-Xt），2薄板压力容器盖的有限元分析1模型简化及单元选择211模型简化mm，上蒙板为2mm厚的矩形薄板，侧边为4mm厚的蒙板，内部以6mm厚的肋板连接和支撑上下左右的蒙板，纵横各4块，下蒙板为2mm厚半径为140盖就应首先对上下蒙板划分网格，其次是肋板和侧mm的球冠型薄板。球冠型蒙板与侧板之间的密封槽和密封圈结构对计算影响较小，忽略为球冠型下蒙板与边缘平板直接连接的结构。所有的薄板的连接均采用粘结方式，便于各薄板分别划分网格。

　　容器盖上附有耳子、安全连锁及钩锁，均焊接在容器盖的侧蒙板上。安全连锁的锁片和锁舌虽是接触关系，但工作状态下二者一直处于接触状态，简化为粘贴关系；钩锁结构的两钩接触面上建立接触对。

　　容器盖上有通气管和安全卸压装置，因工作压力下这些装置处于关闭状态，故简化模型将其忽略。

　　安全连锁212单元选择及网格划分一般的有限元计算及分析可采用的单元类型都不只一种，分析时可按照计算要求载荷情况及预期结果等因素进行选择。

　　文中模型结构不规则，计算精度要求高，所以选择六节点四面体单元Sold87和二十节点四面体单元Slid92分别进行热分析和结构分析的网格划分。

　　薄板结构的网格划分应当首先从薄的板开板。

　　单元边长应小于等于板厚度，或通过建立相似模型进行简单试计算，验证结果的性来确定网格大小。在对压力容器盖划分网格前，单独建立上蒙板模型，单元边长设置为2mm进行100*C恒温热应力分析，ANSYS分析结果位移值与计算结果基本相同，所以设置压力容器盖的单元边长为2mm即可满足计算精度要求。

　　耳子、安全连锁及钩锁是主要承力构件，细化耳子与容器盖的连接处以及安全连锁的螺钉和钩锁结构的销钉的网格，从而确保分析结果更加。

　　22求解及结果分析221温度场分析忽略容器盖向空间辐射的热量及肋板中间空隙的空气对流，下蒙板温度边界条件105C，外界为40C空气对流，对流系数为125W/（m），环境温度为20C，稳态分析，结果如耳子是压力容器盖与压力容器基座固定和连接的装置，设定耳子轴孔各方向位移都为0因安全连始，依次单个进行，以保证网格的精度要求和边界节锁的锁舌可在固定的锁孔里沿xz向滑动，但建模点的正确联结，从而保证计算精度。如本文压力容器时将其二者之间的接触简化为粘接关系，即可认为安全连锁的xz向无位移约束，故设置两个螺钉底面y向位移为0钩锁外侧钩底面各方向位移都设为0设置所有对称截面上的z向约束位移为0由于结构复杂，便于结果比较分析，分三种载荷工况进行分析，如表1表1载荷工况节点温度下蒙板下表面工作压力/MPa常压热应力分析加载常温压力分析不加载热结构耦合分析加载分析结果如223结果分析（见表2）压力分析和热-结构耦合分析结果变形大值都出现在球冠型下蒙板没有肋板支撑、在受压状态下凹陷的区域，应力大值都在钩锁结构的钩子上，如所示。

　　热应力分析结果密赛斯屈服准则（Von-nises）平均应力压力分析和热应力分析结果的y向变形值较大，而xz向变形值较小，所以压力是容器盖变形的主要因素。

　　温度升高，材料的弹性模量降低，所以薄板结构容器盖的热应力分析结果的应力值反而小于压力分析结果的应力值。

　　表2计算结果大值x向位移/ y向位移/ z向位移/总位移/ x向应力/MPa y向应力/MPa向应力/MPa常压热应力分析常温压力分析热-结构耦合分析3）对容器盖进行了热应力分析，得出并分析了温度和压力对薄板的压力容器盖的变形及应力的影响，可为类似承压薄板结构的深入研宄提供理论下转第33页）3结论通过有限元分析，得到了实际工况下的温度场和应力场，使设计者可安全并较准确地在正式投入使用前预知压力容器危险区域，并做相应的防范措施。

　　大应力值均小于材料的许用应力值520MPa此容器盖在工作载荷下安全，并可考虑优化结构使其更加经济。

简单介绍下压力容器的基本结构

压力容器基本组成

压力容器通常是由板、壳组合而成的焊接结构。受压元件中,圆柱形筒体、球罐 (或球 形封头)、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头、锥形封头和膨胀节所对应的壳分别是圆柱 壳、球壳、椭球壳、球冠+环壳、球冠、锥壳和环形板+环壳。

而平盖 (或平封头)、环形 板、法兰、管板等受压元件分别对应于圆平板、环形板 (外半径与内半径之差大于10倍的 板厚)、环 (外半径与内半径之差小于10倍的板厚)以及弹性基础圆平板。

上述7种壳和4 种板可以组合成各种压力容器结构形式,再加上密封元件、支座、安全附件等就构成了一**整的压力容器。图1-1为一台卧式压力容器的总体结构图,下面结合该图对压力容器的基 本组成作简单介绍。

(1)筒体

筒体的作用是提供工艺所需的承压空间,是压力容器**主要的受压元件之一,其内直径 和容积往往需由工艺计算确定。圆柱形筒体 (即圆筒)和球形筒体是工程中**常用的筒体 结构。

筒体直径较小 (一般小于1000mm)时,圆筒可用无缝钢管制作,此时筒体上没有纵焊 缝;直径较大时,可用钢板在卷板机上卷成圆筒或用钢板在水压机上压制成两个半圆筒,再 用焊缝将两者焊接在一起,形成整圆筒。由于该焊缝的方向和圆筒的纵向 (即轴向)平行, 因此称为纵向焊缝,简称纵焊缝。

若容器的直径不是很大,一般只有一条纵焊缝;随着容器 直径的增大,由于钢板幅面尺寸的限制,可能有两条或两条以上的纵焊缝。另外,长度较短 的容器可直接在一个圆筒的两端连接封头,构成一个封闭的压力空间,也就制成了一台压力 容器外壳。

但当容器较长时,由于钢板幅面尺寸的限制,就需要先用钢板卷焊成若干段筒体 (某一段筒体称为一个筒节),再由两个或两个以上筒节组焊成所需长度的筒体。筒节与筒节 之间、筒体与端部封头之间的连接焊缝,由于其方向与筒体轴向垂直,因此称为环向焊缝, 简称环焊缝。

圆筒按其结构可分为单层式和组合式两大类。

① 单层式筒体 筒体的器壁在厚度方向是由一整体材料所构成,也就是器壁只有一层 (为防止内部介质腐蚀,衬上的防腐层不包括在内)。单层筒体按制造方式又可分为单层卷焊 式、整体锻造式、锻焊式、非焊接瓶式等几种。

其中单层卷焊式结构是目前制造和使用**多 的一种筒体形式,它采用钢板在大型卷板机上卷成圆筒,经焊接纵焊缝成为筒节,然后与封头或端部法兰组装焊接成容器,图1-1所示筒体即为单层卷焊式结构。

而整体锻造式结构是 **早采用的筒体形式,制造时筒体与法兰可整锻为一体或用螺纹连接,整个筒身没有焊缝。 焊接技术发展后出现了分段锻造,然后焊接拼合成整体的锻焊式筒体。

非焊接瓶式筒体主要 有两种制造方法:一种是由质量无缝钢管通过两端热旋压收口制成;另一种是钢锭冲压后再 经过热旋压收口。通常,整体锻造式和锻焊式筒体主要用于高压和超高压容器中,而非焊接 瓶式筒体常用于制造非焊接大容积瓶式压力容器。

整体锻造式筒体的材料金相组织致密,强度高,因而质量较好,特别适合于焊接性能较 差的**度钢所制造的超高压容器。但制造时需要非常大的冶炼、锻压和机加工设备,材料 消耗量大,钢材利用率低 (*为26%~29%),机械加工量大,故一般只用于内径300~ 800mm、长度不超过12m 的小型超高压容器,如聚乙烯反应釜、人造水晶釜等。

② 组合式筒体 筒体的器壁在厚度方向是由两层或两层以上互不连续的材料构成。组合式 筒体按结构和制造方式又可分为多层式和缠绕式两大类。具体结构将在本书第4章中介绍。

(2)封头

根据几何形状的不同,封头可以分为球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥壳和平盖等几 种,其中球形、椭圆形、碟形和球冠形封头又统称为凸形封头。

当容器组装后不需要开启时 (一般是容器中无内件或虽有内件但无需更换、检修的情 况),封头可直接与筒体焊在一起,从而有效地保证密封、节省材料和减少加工制造的工作 量。对于因检修或更换内件的原因而需要多次开启的容器,封头和筒体的连接应采用可拆式 的,此时在封头和筒体之间就必须要有一个密封装置。

(3)密封装置 压力容器上需要有许多密封装置,如封头和筒体间的可拆式连接、容器接管与外管道间 的可拆连接以及人孔、手孔盖的连接等,压力容器能否正常、安全地运行在很大程度上取决 于密封装置的可靠性。

螺栓法兰连接 (简称法兰连接)是一种应用**广的密封装置,它的作用是通过螺栓连 接,并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。法兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰。

用于容器封头 (或顶盖)与筒体间,以及两筒体间连接的法兰叫容器法兰;用于管 道连接的法兰叫管道法兰。在高压容器中,用于顶盖和筒体连接并与筒体焊在一起的容器法 兰,又称为筒体端部。

(4)开孔与接管 由于工艺要求和检修的需要,常在压力容器的筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接 管,如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表 等接管开孔。

手孔和人孔是用来检查、装拆和洗涤容器内部的装置。手孔内径要使操作人员的手能自 由地通过。因此,手孔的直径一般不应小于150mm。考虑到人的手臂长约650~700mm, 所以直径大于1000mm 的容器就不宜再设手孔,而应改设人孔。

常见的人孔形状有圆形和 椭圆形两种,为使操作人员能够自由出入,圆形人孔的直径至少应为400mm,椭圆形人孔 的尺寸一般为350mm×450mm。

筒体或封头上开孔后,开孔部位的强度被削弱,并使该处的应力增大。这种削弱程度随 开孔直径的增大而加大,因而容器上应尽量减少开孔的数量,尤其要避免开大孔。对容器上 已开设的孔,还应进行开孔补强设计,以确保所需的强度。

(5)支座

压力容器靠支座支承并固定在基础上。圆筒形容器和球形容器的支座各不相同。随安装 位置不同,圆筒形容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类,其中立式容器支座又有腿 式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种;而球形容器多采用柱式或裙式支座。

(6)安全附件

由于压力容器的使用特点及其内部介质的化学工艺特性,往往需要在容器上设置一些安 全装置和测量、控制仪表来监控工作介质的参数,以保证压力容器的使用安全和工艺过程的 正常进行。

压力容器的安全附件主要有安全阀、爆破片装置、紧急切断阀、安全联锁装置、压力 表、液面计、测温仪表等。

上述六大部件 (筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件)即构成了一台压 力容器的外壳。对于储存用的容器,这一外壳即为容器本身;对于用于化学反应、传热、分 离等工艺过程的容器,则须在外壳内装入工艺所要求的内件,才能构成一个完整的产品。

压力容器零部件间的焊接

上面介绍了压力容器外壳的六大组成部件,而各部件间的连接大多需要经过焊接,因而对 焊接进行质量控制是整个容器质量体系中极为重要的一环。虽然焊接质量控制还涉及许多焊接 工艺过程问题,但设计环节的主要任务是焊接结构设计和确定无损检测方法、比例及要求。

焊接结构设计涉及接头的形式 (如对接、搭接、角接)、接头的坡口形式、几何尺寸等。 由于压力容器的特殊性,可以说它对焊接质量的要求是所有焊接设备中要求比较高的一种。因 此,压力容器设计工程师必须懂得容器中的焊接结构设计的特点及对焊接质量进行检验的基本要求。具体的焊接结构设计问题将在后面的文章中讨论。

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