浙大化机所承压设备设计与安全分析报告大作业2.docx
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浙大化机所承压设备设计与安全分析报告大作业2
DN800容器
应力分析报告
StressAnalysisReport
浙江大学化工机械研究所
InstituteofProcessEquipment，ZhejiangUniversity
Apr.,2012
DN800容器
应力分析报告
StressAnalysisReport
计算编制：
（PRE.）
校核：
（CHK.）
审核：
（REV.）
批准：
（APR.）
浙江大学化工机械研究所
InstituteofProcessEquipment，ZhejiangUniversity
Apr.,2012
目录
1设计依据1
2.1用户委托数据（表1）2
2.2计算条件2
2.2.1设计工况下的载荷计算条件（表2）2
2.2.2设计工况下的材料性能（表3）3
2.2.3正常操作工况疲劳计算条件（表4）3
3罐体主要部件厚度的初步计算4
3.1筒体厚度4
3.2封头厚度4
3.3开孔接管补强结构尺寸的初步确定4
4分析与计算5
4.1分析方法5
4.2力学计算5
4.2.1力学模型5
4.2.2边界条件7
4.2.3设计工况计算8
4.2.4应力线性化8
5应力强度评定10
6疲劳强度评定12
7结论13
8技术要求14
附录1：
模型设计工况下应力线性化数据15
1设计依据
（1）TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》
（2）JB4732-95《钢制压力容器——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/MPa
0.7
操作压力/MPa
0.0~0.7
设计温度/℃
100
试验温度/℃
20
腐蚀裕量/mm
2
接管N1材料
16MnⅢ
筒体直径/mm
φ800
封头类型
标准椭圆形
年交变次数（正常工作）/次
17520
设计寿命
30年
总循环次数/次
17520×30=525600
2.2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/℃
100
压力/MPa
0.7
2.2.2设计工况下的材料性能（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
（6~16mm）
Sm1/MPa
196
E/MPa
1.91×105
封头Q345R
（6~16mm）
Sm2/MPa
196
E/MPa
1.91×105
接管
16MnⅢ锻件
Sm3/MPa
163
E/MPa
1.91×105
2.2.3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
30年
总循环次数
变压工况
525600
设备正常工作时加压、卸压，年交变工况为17520次，设计寿命为30年，总循环次数为525600。
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：
δ=
=
=1.4mm
式中：
K为载荷组合系数取1.0，pc为筒体计算压力取0.7MPa，Sm1为Q345R（小于16mm）设计应力强度取196MPa。
设计厚度：
δd=δ+C2=1.4+2=3.4mm
名义厚度：
取δn=6mm。
要求筒体成形后最小厚度为5.5mm，则实际建模壁厚为3.5mm。
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0.7MPa；Sm1为Q345R（6~16mm）设计应力强度取196MPa。
设计厚度：
δd=δ+C2=2.0+2=4.0mm
名义厚度：
取δn=6mm
要求封头成形后最小厚度为5.5mm，则实际建模壁厚为3.5mm。
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
φ500
φ600×50
190
35
1
4分析与计算
4.1分析方法
采用ANSYS12.1软件，使用N-mm-MPa单位制。
完整的结构分析应考虑以下载荷：
①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；②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solid186，solid187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525600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。
完整的塔分析应考虑以下载荷：
①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；②罐的自重载荷；③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800mm，成形后最小厚度为5.5mm，则分析模型中的筒体内径为804mm、外径为811mm。
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，建立二分之一整体模型，采用实体单元solid186和solid187，网格划分如图2~3，模型总共划分了226612个单元，857819个节点。
图1整体模型图
图2网格划分图
图3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。
图4力学模型及边界条件设置
4.2.3设计工况计算
设计工况：
p=0.7MPa，t=100℃，上封头接管等效拉应力
=21.7MPa，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所示，该工况下最大应力强度为174.37MPa。
图5设计工况下，模型第三强度当量应力分布云图（单位：
MPa）
4.2.4应力线性化
在设计工况下，取8条路径对模型进行应力评定，选取的路径如图6所示，图6中标示的路径1～8应力线性化数据列入附录1。
图6模型应力分析路径
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=196MPa。
评定结果列于表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
Pm
80.72
KSm
196
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2~4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=196MPa。
封头上接管的材料为16MnⅢ，设计工况下的设计应力强度为Sm=163MPa。
从偏安全考虑，取路径2~4上的许用应力强度为接管的设计应力强度，即取Sm=163MPa，评定结果列于表7。
表7路径2～4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
PL
4.4794
5.1067
14.738
1.5KSm
244.5
合格
PL＋Pb＋Q
7.0924
11.624
123.01
3Sm
489
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=196MPa。
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
Pm
62.178
KSm
196
合格
（4）路径6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=196MPa。
筒体的材料为Q345R，设计工况下的设计应力强度为Sm=196MPa。
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
PL
40.159
1.5KSm
294
合格
PL＋Pb＋Q
42.691
3Sm
588
合格
（5）路径7~8的应力强度评定结果
接管的材料为16MnⅢ，设计工况下的设计应力强度为Sm=163MPa。
评定结果列于表10。
表10路径7～8的应力强度评定结果
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
PL
23.872
6.7962
1.5KSm
244.5
合格
PL＋Pb＋Q
64.076
7.4025
3Sm
489
合格
6疲劳强度评定
设备正常工作时，工作温度为100℃，压力变化范围为0.0~0.7MPa。
应力幅值：
Salt1＝0.5×174.37×（0.7+0）/0.7=87.185MPa；
考虑温度修正后为：
S’alt1＝Salt1×E/Et=87.185×192/191=87.641MPa。
查JB4732表C-1，该应力幅值对应的允许最大循环次数N>106次，根据设计条件，变压工况下的总循环次数为5.3×105<1067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GB713-2008《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Ⅲ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Ⅰ级，不得有任何裂纹等缺陷存在。
（3）除注明外,角焊缝的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，DN<250mm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/T4730.4-2005I级合格。
（5）上封头成形后的最小厚度不得小于5.5mm；筒体成形后最小厚度不得小于5.5mm。
（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300mm，且用压条压紧重叠部分，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
ObjectName
StressIntensity
LinearizedStressIntensity
LinearizedStressIntensity2
LinearizedStressIntensity3
LinearizedStressIntensity4
State
Solved
Scope
ScopingMethod
GeometrySelection
Path
Geometry
AllBodies
Path
Path
Path2
Path3
Path4
Results
Membrane
80.72MPa
4.4794MPa
5.1067MPa
14.738MPa
Bending（Inside）
0.73869MPa
4.3353MPa
8.8854MPa
116.8MPa
Bending（Outside）
0.73869MPa
4.3353MPa
8.8854MPa
116.8MPa
Membrane+Bending（Inside）
79.981MPa
7.0924MPa
11.624MPa
123.01MPa
Membrane+Bending（Center）
80.72MPa
4.4794MPa
5.1067MPa
14.738MPa
Membrane+Bending（Outside）
81.459MPa
5.6784MPa
7.9246MPa
111.92MPa
Peak（Inside）
5.202e-003MPa
11.099MPa
166.46MPa
11.604MPa
Peak（Center）
5.4554e-003MPa
2.4723MPa
4.0422MPa
5.9789MPa
Peak（Outside）
5.7125e-003MPa
3.5061MPa
7.922MPa
12.205MPa
Total（Inside）
79.986MPa
12.825MPa
174.37MPa
118.92MPa
Total（Center）
80.725MPa
4.7923MPa
5.0458MPa
19.591MPa
Total（Outside）
81.465MPa
4.6532MPa
4.5838MPa
115.19MPa
ObjectName
LinearizedStressIntensity5
LinearizedStressIntensity6
LinearizedStressIntensity7
LinearizedStressIntensity8
State
Solved
Scope
ScopingMethod
Path
Path
Path5
Path6
Path7
Path8
Geometry
AllBodies
Results
Membrane
62.178MPa
40.159MPa
23.872MPa
6.7962MPa
Bending（Inside）
19.71MPa
7.3478MPa
47.072MPa
0.91626MPa
Bending（Outside）
19.71MPa
7.3478MPa
47.072MPa
0.91626MPa
Membrane+Bending（Inside）
67.614MPa
39.641MPa
64.076MPa
6.2036MPa
Membrane+Bending（Center）
62.178MPa
40.159MPa
23.872MPa
6.7962MPa
Membrane+Bending（Outside）
74.056MPa
42.691MPa
30.096MPa
7.4025MPa
Peak（Inside）
1.3009MPa
0.87559MPa
34.732MPa
1.1689MPa
Peak（Center）
1.3038MPa
0.87594MPa
9.1533MPa
0.3308MPa
Peak（Outside）
1.3068MPa
0.87631MPa
14.118MPa
0.54491MPa
Total（Inside）
67.424MPa
39.41MPa
73.545MPa
5.6664MPa
Total（Center）
62.707MPa
40.263MPa
23.44MPa
6.9551MPa
Total（Outside）
74.311MPa
42.693MPa
32.336MPa
7.1992MPa
升级会员 