高壓分離罐畢業(yè)設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p><b>　　1 有限元法3</b></p><p>　　1.1 有限元法概述3</p><p>　　1.2 有限元法與其他分析法的區(qū)別3</p><

2、;p>　　1.3 有限元法解題步驟6</p><p>　　2 有限元分析軟件ANSYS8</p><p>　　2.1 ANSYS軟件簡介8</p><p>　　2.2 ANSYS軟件的功能10</p><p>　　2.3 ANSYS軟件的分析過程11</p><p>　　2.3.1 前處理11<

3、/p><p>　　2.3.2 加載求解12</p><p>　　2.3.3 后處理12</p><p>　　3 高壓分離罐13</p><p>　　3.1 加氫精制簡介13</p><p>　　3.2 高壓分離罐的總體結構14</p><p>　　3.2.1 材料15</p>

4、<p>　　3.2.2 筒體15</p><p>　　3.2.3 封頭15</p><p>　　3.3.4 裙座16</p><p>　　4 高壓分離罐應力分析及強度校核17</p><p>　　4.1 分析設計簡介17</p><p>　　4.2 應力分類18</p><

5、p>　　4.2.1 一次應力P19</p><p>　　4.2.2 二次應力Q20</p><p>　　4.2.3 峰值應力F20</p><p>　　4.3 應力強度評定方法21</p><p>　　4.4 設計條件22</p><p>　　4.5 高壓分離罐應力分析23</p>&l

6、t;p>　　4.5.1 上封頭24</p><p>　　4.5.1 油氣入口開孔30</p><p>　　4.5.3 裙座36</p><p><b>　　結論43</b></p><p><b>　　參考文獻44</b></p><p><b>　

7、　謝辭45</b></p><p><b>　　附錄147</b></p><p><b>　　附錄252</b></p><p><b>　　附錄356</b></p><p><b>　　前言</b></p><

8、p>　　石化工業(yè)是國民經濟的重要支柱產業(yè)之一，是提供交通運輸燃料和石油化工原料的工業(yè)，在國民經濟、國防和社會發(fā)展中具有極其重要的地位和作用。隨著人類對石油產品的需求量不斷增加，人類對油品質量的要求也也來越高。為了獲取高質量的石油加工產品或增產石油化工原料和中餾份油，以及適應高含硫原油、劣質原油深加工的需要與改善環(huán)境條件等目的，在現(xiàn)代石油加工工業(yè)中出現(xiàn)了加氫工藝裝置。</p><p>　　加氫工藝于1927年

9、在工業(yè)上得到應用，但由于高壓設備制造困難，合金鋼材耗用量大，投資大等原因，因此在石油煉制工業(yè)中一直未得到迅速發(fā)展。加氫工藝過程具有工藝流程簡單、生產靈活性大，產品收率高，質量好等優(yōu)點，現(xiàn)在它已作為現(xiàn)代煉油技術在各國煉油行業(yè)廣泛應用。</p><p>　　20世紀90年代以來，世界煉油企業(yè)加工的原油重質化趨勢加大，原油中硫和重金屬含量明顯上升，以及各國的環(huán)保法規(guī)對石油加工產品清潔性要求日趨嚴格，煉油企業(yè)不得不采用清

10、潔生產工藝來生產清潔燃料。與此同時，人們發(fā)現(xiàn)柴油機具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，而且在減少其尾氣污染物排放和污染物治理方面也取得了顯著成效。成品油市場中柴油需求增長速度遠高于汽油。芳烴和乙烯等原料的需求也不斷增長，僅僅依靠原油加工量的增長已不能滿足需要。因此，加氫工藝和技術受到世界各大石油公司的普遍重視，加氫裝置建設和技術開發(fā)明顯加快。</p><p>　　高壓分離罐作為加氫工藝裝置的關鍵設備，長期處于高溫、高壓、臨氫、高

11、溫硫和硫化氫環(huán)境，使用條件苛刻，其設計和制造難度較大。長期以來，國內外對其設計、材料和制造技術進行了大量的理論研究和工程實踐，特別是近年來，隨著加氫裝置的大型化，高壓分離罐的制造周期加長、生產成本不斷提高。為了縮短制造周期、降低生產成本，保證加氫反應器的安全可靠運行，開發(fā)了新材料，應用了許多新工藝、新技術。</p><p>　　安全性是設計高壓分離罐遵循的重要準則，隨著大型化高參數(shù)化工容器的廣泛使用，在設計觀點和

12、方法上，以往所采用的基于彈性失效準則的按“常規(guī)設計”方法已不能完全適應工程設計的要求，基于塑性失效準則的“分析設計”越來越多的應用到現(xiàn)代容器的設計中。分析設計的基礎首先是對容器關鍵部位進行應力分析，對載荷和應力進行分類。應用流體分析模型和應力分析技術進行流體場和溫度場的模擬，解決了分離器高應力區(qū)和高溫度區(qū)的應力計算，大大提高了計算的準確性和使用的安全性。ANSYS作為最通用有效的有限元軟件之一，在壓力容器的應力分析設計中得到了廣泛應用。

13、</p><p>　　本文就高壓分離罐進行了分析設計說明，其中簡要的說明了高壓分離罐的結構及結構特點，并結合JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設計標準》著重對加氫反應器局部的應力分布集中狀態(tài)和應力校核進行了詳細的論述。同時，還對所使用的有限元方法和ANSYS 14.0做了簡要的說明。</p><p><b>　　1 有限元法</b></p><

14、p>　　1.1 有限元法概述</p><p>　　有限元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)起源于到20世紀40年代。Courant第一次應用定義在三角區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理來求解St.Venant扭轉問題?，F(xiàn)代有限單元法的第一個成功的嘗試是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飛機結構時，將鋼架位移法推廣應用于彈性力學平面問題，給出了用三角形單元求得平面應力問

15、題的正確答案。1960年，Clough進一步處理了平面彈性問題，并第一次提出了“有限單元法”，使人們認識到它的作用。</p><p>　　有限元法的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件)，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題

16、所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。</p><p>　　有限元法的優(yōu)點是解題能力強，可以比較精確地模擬各種復雜的曲線或曲面邊界，網格的劃分也比較隨意，可以統(tǒng)一處理多種邊界條件，離散方程的形式規(guī)范，便于編制通用的計算機程序，在固體力學方程的數(shù)值計算方面取得巨大的成功。但是在應用于流體流動和傳熱方程求解的過程中卻遇到一些困難，其原

17、因在于，按加權余量法推導出的有限元離散方程也只是對原微分方程的數(shù)學近似。當處理流動和傳熱問題的守恒性、強對流、不可壓縮條件等方面的要求時，有限元離散方程中的各項還無法給出合理的物理解釋[1]。</p><p>　　1.2 有限元法與其他分析法的區(qū)別[2]</p><p>　　計算機輔助工程(CAE)的技術種類有很多，其中包括有限元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)，邊

18、界元法(BEM，Boundary Element Method)，有限差分法(FDM，F(xiàn)inite Difference Element Method)等。每一種方法都各有其應用的領域。</p><p>　　有限元方法的基礎是變分原理和加權余量法，其基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值

19、函數(shù)組成的線性表達式，借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。采用不同的權函數(shù)和插值函數(shù)形式，便構成不同的有限元方法。有限元方法最早應用于結構力學，后來隨著計算機的發(fā)展慢慢用于流體力學的數(shù)值模擬。在有限元方法中，把計算域離散剖分為有限個互不重疊且相互連接的單元，在每個單元內選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來逼近單元中的真解，整個計算域上總體的基函數(shù)可以看為由每個單元基函數(shù)組成的，則整個計算域內的解可以看作是由所有單元上的近似解

20、構成。在河道數(shù)值模擬中，常見的有限元計算方法是由變分法和加權余量法發(fā)展而來的里茲法和伽遼金法、最小二乘法等。根據(jù)所采用的權函數(shù)和插值函數(shù)的不同，有限元方法也分為多種計算格式。從權函數(shù)的選擇來說，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽遼金法，從計算單元網格的形狀來劃分，有三角形網格、四邊形網格和多邊形網格，從插值函數(shù)的精度來劃分，又分為線性插值函數(shù)和高次插值</p><p>　　有限差分方法(FDM)是計算機數(shù)值模擬最早

21、采用的方法，至今仍被廣泛運用。該方法將求解域劃分為差分網格，用有限個網格節(jié)點代替連續(xù)的求解域。有限差分法以Taylor級數(shù)展開等方法，把控制方程中的導數(shù)用網格節(jié)點上的函數(shù)值的差商代替進行離散，從而建立以網格節(jié)點上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。該方法是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法，數(shù)學概念直觀，表達簡單，是發(fā)展較早且比較成熟的數(shù)值方法。對于有限差分格式，從格式的精度來劃分，有一階格式、二階格式和高階格式。從差分的空間形式來考慮

22、，可分為中心格式和逆風格式?？紤]時間因子的影響，差分格式還可以分為顯格式、隱格式、顯隱交替格式等。目前常見的差分格式，主要是上述幾種形式的組合，不同的組合構成不同的差分格式。差分方法主要適用于有結構網格，網格的步長一般根據(jù)實際地形的情況和柯朗穩(wěn)定條件來決定。</p><p>　　構造差分的方法有多種形式，目前主要采用的是泰勒級數(shù)展開方法。其基本的差分表達式主要有三種形式：一階向前差分、一階向后差分、一階中心差分和

23、二階中心差分等，其中前兩種格式為一階計算精度，后兩種格式為二階計算精度。通過對時間和空間這幾種不同差分格式的組合，可以組合成不同的差分計算格式。</p><p>　　有限體積法(FVM)又稱為控制體積法。其基本思路是：將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網格點上的因變量的數(shù)值。為了求出控制體積的積分，必須

24、假定值在網格點之間的變化規(guī)律，即假設值的分段分布的分布剖面。從積分區(qū)域的選取方法看來，有限體積法屬于加權剩余法中的子區(qū)域法；從未知解的近似方法看來，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。簡言之，子區(qū)域法屬于有限體積發(fā)的基本方法。</p><p>　　有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒

25、原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制體積都得到滿足，對整個計算區(qū)域，自然也得到滿足。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當網格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網格情況下，也顯示出準確的積分守恒。就離散方法而言，有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的中間物。有限單元法必須假定值在網格點之間的變化規(guī)律(既插值函數(shù))，并將其作為近似解。有限差分法只考慮網格點

26、上的數(shù)值而不考慮值在網格點之間如何變化。有限體積法只尋求的結點值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時，必須假定值在網格點之間的分布，這又與有限單元法相類似。在有限體積法中，插值函數(shù)只用于計算控制體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數(shù)；如果需要的話，可以對微分方程中不同的項采取不同的插值函數(shù)。</p><p>　　1.3 有限元法解題步驟</p><p>　　對

27、于不同物理性質和數(shù)學模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導和運算求解不同。有限元求解問題的基本步驟通常為：</p><p>　　(1)問題及求解域定義，根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質和幾何區(qū)域。</p><p>　　(2)求解域離散化，將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習慣上稱為有限元網絡劃分。顯然單元越小(網絡越細)則離散

28、域的近似程度越好，計算結果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術之一。</p><p>　　(3)確定狀態(tài)變量及控制方法，一個具體的物理問題通常可以用一組包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價的泛函形式。</p><p>　　(4)單元推導，對單元構造一個適合的近似解，即推導有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元

29、坐標系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關系，從而形成單元矩陣(結構力學中稱剛度陣或柔度陣)。</p><p>　　為保證問題求解的收斂性，單元推導有許多原則要遵循。 對工程應用而言，重要的是應注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低，而且有缺秩的危險，將導致無法求解。</p><p>　　(5)總裝求解，將單元總裝形成離散域的總矩陣方

30、程(聯(lián)合方程組)，反映對近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。總裝是在相鄰單元結點進行，狀態(tài)變量及其導數(shù)(可能的話)連續(xù)性建立在結點處。</p><p>　　(6)聯(lián)立方程組求解和結果解釋，有限元法最終導致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機法。求解結果是單元結點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結果的質量，將通過與設計準則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復計算。<

31、;/p><p>　　簡言之，進行有限元分析可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網格劃分；后處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。</p><p>　　2 有限元分析軟件ANSYS</p><p>　　2.1 ANSYS軟件簡介</p><p>　　美國ANSYS公司成立于1970年，長期以

32、來一直致力于設計分析軟件的開發(fā)、研制，其先進的技術及高質量的產品贏得了業(yè)界的廣泛認可，目前已成為世界CAE行業(yè)中最大的公司。在40多年的發(fā)展過程中，ANSYS不斷改進提高，功能不斷增強，其強大的圖形處理能力及得心應手的實用工具使得用戶在處理問題時得心應手。而且它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，。目前最新ANSYS已發(fā)展到14.

33、5版本，本文使用的版本是ANSYS 14.0。</p><p>　　ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機械結構系統(tǒng)受到外力負載所出現(xiàn)的反應，例如應力、位移、溫度等，根據(jù)該反應可知道機械結構系統(tǒng)受到外力負載后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設計要求。一般機械結構系統(tǒng)的幾何結構相當復雜，受的負載也相當多，理論分析往往無法進行。想要解答，必須先簡化結構，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計算機行業(yè)的

34、發(fā)展，相應的軟件也應運而生，ANSYS軟件在工程上應用相當廣泛，在機械、電機、土木、電子及航空等領域的使用，都能達到某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設計成本，縮短設計時間。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術相結合，已成為現(xiàn)代工程學問題必不可少的有力工具[3]。</p><p>　　目前，ANSYS軟件已形成完善、成熟的三大核心體系：以結構、熱力學為核心

35、的MCAE體系，以計算流體動力學為核心的CFD體系，以計算電磁學為核心的CEM體系。這三大體系不僅提供MCAE/CFD/CEM領域的單場分析技術，各單場分析技術之間還可以形成多物理場耦合分析機制。</p><p>　　在我國，ANSYS的用戶也越來越多。三峽工程、黃河下游特大型公路斜拉橋、國家大劇院、浦東國際機場、上?？萍汲翘粘?、深圳南湖路花園大廈等在結構設計時都采用了ANSYS軟件作為分析工具。</p&

36、gt;<p>　　圖2.1 ANSYS 14.0啟動界面</p><p>　　圖2.2 ANSYS 14.0操作界面</p><p>　　2.2 ANSYS軟件的功能[4～5]</p><p>　　ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元軟件，可廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電

37、子、土木工程、生物醫(yī)學、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。其功能主要分為以下5類：</p><p><b>　　(1)結構分析</b></p><p>　　結構分析又可以分為結構靜力學分析和結構結構動力學分析。結構靜力學分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且

38、也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。</p><p>　　(2)ANSYS熱分析</p><p>　　熱分析一般不是單獨的，其后

39、往往進行結構分析，計算由于熱膨脹或者收縮不均勻引起的應力。程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱－結構耦合分析能力。</p><p>　　(3)ANSYS電磁分析</p><p>　　主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場

40、分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。</p><p>　　(4)ANSYS流體分析</p><p>　　ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，

41、還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。</p><p>　　(5)ANSYS耦合場分析</p><p>　　耦合場分析主要考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。如果兩個物理場之間相互影響，單獨求解一個物理場是不可能得到正確結果的，因此需要一個能將兩個物理場組合到一起求解的分析軟件。例如：在壓電分析中，需要同時求解電壓分布(電場分析)和應變(結構分析)。

42、</p><p>　　2.3 ANSYS軟件的分析過程</p><p>　　ANSYS分析過程包括3個主要步驟：前處理，加載求解，后處理。</p><p><b>　　2.3.1 前處理</b></p><p>　　在分析過程中，建立有限元模型要花費較多的時間。在前處理過程中，先指定任務名和分析標題，然后在預處理器下定義

43、單元類型、單元實常數(shù)、材料特性和有限元模型等。</p><p>　　(1)指定任務名和分析標題，該步驟雖然不是必須的，但ANSYS推薦使用任務名和分析標題。</p><p>　　(2)定義單位制，ANSYS對單位沒專門的要求，除了磁場分析以外，只要保證輸入的數(shù)據(jù)都使用統(tǒng)一的單位制即可。這時，輸出的數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)的單位制完全一致。</p><p>　　(3)定義單元類

44、型，從ANSYS提供的單元庫內根據(jù)需要選擇單元類型。</p><p>　　(4)定義單元實常數(shù)，在選擇了單元類型以后，有的單元類型需要輸入用于對單元進行補充說明的實常數(shù)。是否需要實常數(shù)及實常數(shù)的類型，由所選單元類型決定。</p><p>　　(5)定義材料特性，太多數(shù)情況下在分析時都要指定材料特性，ANSYS軟件可以選擇的材料特性有線性的和非線性的，各向同性的、正向同性的和非彈性的，不隨溫

45、度變化的和隨溫度變化的。</p><p>　　(6)創(chuàng)建有限元模型，創(chuàng)建有限元模型的方掛有兩種：實體建模法和直接生成法。前者先創(chuàng)建實體模型，然后劃分網絡形成有限元模型；后者直接創(chuàng)建節(jié)點、單元，生成有限元模型。</p><p>　　2.3.2 加載求解</p><p>　　建立有限元模型目后，需要在求解器下選擇分析類型，指定分析選項，然后施加載荷和約束，指定載荷步長并

46、對有限元求解進行初始化，最后求解。</p><p>　　(1)選擇分析類型和指定分析選項，在ANSYS中，可以選擇下列分析類型：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)分析、譜分析、屈曲分析、子結構分析等。平同的分析類型，有不同的分析選項。</p><p>　　(2)施加載荷和約束，在ANSYS中的約束處理為自由度載荷。ANSYS的載荷共分為6類：自由度載荷、集中力和力矩、表面分布載荷、體積載

47、荷、慣性載荷和耦合場載荷。如果按載荷施加的主體類型劃分的話，ANSYS的載荷又可以分為直接施加在幾何實體上的載荷和施加在有限元模型即節(jié)點、單元上的載荷。</p><p>　　(3)指定載荷步選項，主要是對載荷步進行修改和控制，例如：制定子載荷步數(shù)、時間步長、對輸出數(shù)據(jù)進行控制等。</p><p>　　(4)求解初始化，主要工作是從ANSYS數(shù)據(jù)庫中在得模型和載荷信息，進行計算求解，并將結果

48、寫入到結果文件和數(shù)據(jù)庫中。結果主件和數(shù)據(jù)庫文件的不同點是，數(shù)據(jù)庫文件每次只能駐留一組結果，而結果文件保存所有結果數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　2.3.3 后處理</b></p><p>　　ANSYS的后處理用來觀察分析結果。ANSYS的后處理分為通用后處理模塊和時間后處理模塊兩部分。后處理結果可能包括位移溫度應力應變速度以及熱流等，輸出形式可以是圖形顯示和數(shù)據(jù)

49、列表兩種。ANSYS還提供自動或手動時程計算結果處理的工具[6]。</p><p><b>　　3 高壓分離罐</b></p><p>　　3.1 加氫精制簡介</p><p>　　加氫精制也稱加氫處理，石油產品最重要的精制方法之一。指在氫氣和催化劑存在下，使油品中的硫、氧、氮等有害雜質轉變?yōu)橄鄳牧蚧瘹洹⑺倍?，并使烯烴和二烯烴加氫飽和

50、、芳烴部分加氫飽和，以改善油品的質量。有時，加氫精制指輕質油品的精制改質，而加氫處理指重質油品的精制脫硫。其主要目的是對油品進行改質，提高產品的安定性及延長發(fā)動機等設備使用壽命，減少對環(huán)境的污染。</p><p>　　20世紀50年代，加氫方法在石油煉制工業(yè)中得到應用和發(fā)展，60年代因催化重整裝置增多，石油煉廠可以得到廉價的副產氫氣，加氫精制應用日益廣泛。加氫精制可用于各種來源的汽油、煤油、柴油的精制、催化重整原

51、料的精制，潤滑油、石油蠟的精制，噴氣燃料中芳烴的部分加氫飽和，燃料油的加氫脫硫，渣油脫重金屬及脫瀝青預處理等。</p><p>　　各種油品加氫精制工藝流程基本相同，如圖3.1所示，原料油與氫氣混合后,送入加熱爐加熱到規(guī)定溫度，再進入裝有顆粒狀催化劑的反應器(絕大多數(shù)的加氫過程采用固定床反應器)中。反應完成后，氫氣在分離器中分出，并經壓縮機循環(huán)使用。產品則在穩(wěn)定塔中分出硫化氫、氨、水以及在反應過程中少量分解而產生

52、的氣態(tài)氫[7]。</p><p>　　1-加熱爐；2-反應器；3-分離罐；4-穩(wěn)定塔；5-壓縮機</p><p>　　圖3.1 加氫精制工藝流程</p><p>　　3.2 高壓分離罐的總體結構</p><p>　　高壓分離罐按其罐壁的使用溫度分為冷高壓分離罐和熱高壓分離罐兩種。早期的高壓分離罐，因無法解決材料在高溫下抗氫氣和抗硫化氫腐蝕的難

53、題，只能從結構上考慮使壁溫降低，采用所謂的冷壁結構，即在殼體內壁上襯以一定厚度的大顆粒珍珠巖混凝土作為隔熱層。襯以隔熱層后，壁溫可維持在300到350℃。但冷高壓分離罐有以下缺點：一是容積有效利用率低，約為50%到60%，且在操作過程中有時因內壁隔熱層損壞導致器壁局部過熱，使安全生產受到威脅；二是筒體上開孔十分困難。</p><p>　　20世紀60年代末開始，高壓分離罐逐步由冷壁向熱壁過渡，目前已幾乎不再制造冷

54、壁結構。熱壁反應器有較高的容積利用率，可達80%到90%左右，器壁不易產生局部過熱現(xiàn)象，使用安全可靠，生產維護方便，維修周期短，可獲得更大的經濟效益。高壓分離罐的總體結構如圖3.2所示。</p><p>　　1-氣體出口；2-人孔；3-絲網除沫器；4-油氣入口；5-進料分離器；6-筒體；</p><p>　　7-下球形封頭；8-油出口；9-裙座</p><p>　　

55、圖3.2 高壓分離罐結構</p><p>　　3.2.1 材料[8]</p><p>　　高壓分離罐內壁長期經受高溫高壓的氫氣和硫化氫氣體，其材料應具備抗高溫腐蝕、抗蠕變，抗氧化和抗氫腐蝕的四抗能力，并應該具有足夠的強度。因此，要選用抗氫蝕性能良好的合金鋼。目前，幾乎都采用能抗氫蝕的Cr-Mo鋼作為主體材料，但從抗氫腐蝕性能、抗蠕變性能和最高使用溫度限制方面，仍滿足不了某些場合需求，特別是

56、隨著加氫工藝技術、尤其是渣油加氫改質煤加氫液化工藝的發(fā)展，加氫反應器的尺寸越來越大，設計條件更加苛刻，若仍采用一般的Cr-Mo鋼來制造，勢必會造成壁厚太厚，導致單臺反應器重量過大，給制造、安裝、運輸帶來極大的困難，使綜合投資大幅度增加，為此有必要開發(fā)強度和使用溫度更高，抗氫性能更好的新型Cr-Mo鋼種。Cr-Mo-V鋼正是在此基礎上開發(fā)出來的新鋼種，這種新型Cr-Mo鋼與普通Cr-Mo鋼相比，各方面都有明顯的優(yōu)越，強度及許用應力、最高使

57、用溫度、抗氫性能提高，隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，新型Cr-Mo-V鋼會得到越來越廣泛的應用。</p><p>　　3.2.2 筒體[8]</p><p>　　高壓分離罐筒體的結構形式有兩種，一種是單層厚板卷焊結構，稱板焊結構；另一種是單層鍛造筒節(jié)焊接結構，稱鍛焊結構。當分離罐內壓力較低、筒體直徑較小、壁厚較薄時，多采用板焊結構。而當壓力高，直徑大，壁厚很厚時，多采用鍛焊結構。</p&g

58、t;<p>　　鍛焊結構比較理想，其主要優(yōu)點是：在制造過程中鍛坯需經墩粗，而沖孔可以除去中心部位的偏析和夾渣，提高反應器抗氫蝕能力，材料均勻性好。由于需要機加工，提高了筒節(jié)相關尺寸的精度，既方便組裝，又減小加工殘余應力。結構上可為分離器內部構件的支撐圈設計創(chuàng)造有利條件，以提高此部位的抗裂能力。</p><p><b>　　3.2.3 封頭</b></p><

59、p>　　高壓分離罐的封頭為球形封頭，與其他各種形式的封頭相比較，球形封頭可以設計稱壁厚最小，減輕了設備質量。高壓分離罐的球形封頭一般為非標準尺寸系列封頭，為了降低制造成本，高壓分離罐上、下封頭常采用相同的封頭內徑。</p><p><b>　　3.3.4 裙座</b></p><p>　　高壓分離罐采用裙座結構支承。裙座的形式根據(jù)承受載荷情況不同，可分為圓筒形和

60、圓錐形兩類。圓筒形裙座制造方便，經濟上合理，故應用廣泛，但對于受力情況比較差。為防止風載荷或地震載荷引起的彎距造成殼體翻倒，則需要配置較多的地腳螺栓及具有足夠大的承載面積的基礎環(huán)。此時，圓筒形裙座的結構尺寸往往滿足不了這么多地腳螺栓的合理布置，因而只能采用圓錐形裙座。</p><p>　　裙座不管是圓筒形還是圓錐形，均有裙座筒體，基礎環(huán)，地腳螺栓，人孔，排氣孔，引出管通道，保溫支承圈等組成。裙座與殼體焊接于封頭的

61、焊接接頭可分為對接及搭接。采用對接接頭時，裙座筒體外與罐體下封頭外徑相等，焊縫必須采用全熔透的連續(xù)焊[8]。</p><p>　　4 高壓分離罐應力分析及強度校核</p><p>　　4.1 分析設計簡介[8]</p><p>　　目前壓力容器設計有兩大類標準，一類是常規(guī)設計標準，以美國ASME-Ⅷ-1《壓力容器建造》和我國GB150《鋼制壓力容器》為代表；另一類是

62、分析設計標準，以美國ASME-Ⅷ-2《壓力容器建造另一規(guī)則》和我國JB4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》為代表。</p><p>　　常規(guī)設計只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜力載荷處理，不考慮交變載荷，也不區(qū)分短期載荷和永久載荷，因而不涉及容器的疲勞壽命問題。常規(guī)設計本質上是一種基于經驗的設計方法，并不是建立在詳細應力分析的基礎上，它僅計算沿容器壁厚的薄膜應力，只有彎曲應力特別顯著、起主導作用時才予以

63、考慮。顯然，這種做法的不足之處在于沒有對容器重要區(qū)域的應力進行嚴格而詳細的計算，從而也就無法對不同部位、由不同載荷引起、對容器失效有不同影響的應力加以不同的限制。</p><p>　　為克服常規(guī)設計的局限性，1965年美國頒布了首部分析設計標準。經過40多年的發(fā)展，分析設計的內涵不斷得到擴充和調整。分析設計是以塑性失效準則為基礎、采用精細的力學分析手段的壓力容器設計方法。目前，分析設計主要包括應力分類法和基于失效

64、模式的直接法。</p><p>　　常規(guī)設計和分析設計之間既有獨立性又有互補性。兩者的獨立性表現(xiàn)為：常規(guī)設計能獨立完成的設計，可以直接應用，而不必再做分析設計；分析設計所完成的設計，也不受常規(guī)設計能否通過的影響。兩者的互補性表現(xiàn)為：常規(guī)設計不能獨立完成的設計(如疲勞分析、復雜幾何形狀和載荷情況)，可以用分析設計來補充完成。反之，分析設計也常借助常規(guī)設計的公式來確定不見的初步設計方案，然后再做詳細分析。但是，常規(guī)設

65、計與分析設計不能混用。常規(guī)設計與分析設計的對比參見表4.1。</p><p>　　表4.1 常規(guī)設計與分析設計對比</p><p>　　4.2 應力分類[8～9]</p><p>　　將應力進行分類是分析設計與常規(guī)設計的一大區(qū)別。B.F.Langer根據(jù)應力分析所得到的的各種性質不同的應力提出：如果能對容器中的應力分布進行具體分析，那就不需要采用單一的許用應力限制，

66、而是根據(jù)應力在結構中的具體部位和分布情況及應力產生的原因、危害性等，分別采用不同的許用應力限制。例如：承受內壓的容器，當內壓逐漸增大，器壁中的薄膜應力不斷上升，當環(huán)向壓力達到材料的屈服點時，若不考慮材料的應變硬化，則壁厚開始減薄，直徑變大，最終會發(fā)生爆裂。因此，內壓引起的薄膜應力必須限制在屈服應力以下。但在缺口處，盡管局部應變已經比屈服應變高出幾倍，只要材料是延性的，而載荷又不過多地反復循環(huán)導致疲勞裂紋的萌生，即使達到屈服點，出現(xiàn)塑性變

67、形，結構仍然是安全的。而在局部不連續(xù)處(如：開孔接管)盡管局部應變已較屈服應變高出很多，但只要材料有足夠的延性，而載荷又不反復交變致使裂紋萌生，則在上述狀態(tài)下仍很安全。還有一些應力如：溫度應力，它在結構內是自平衡的，無須平衡外部載荷，達到屈服反而可以幫助材料去克服強加的變形形式；再如封頭與筒體由于變形不協(xié)調所引起的應力等等，它們都不具有同一性質，不屬于同一類型，應予以區(qū)別對</p><p>　　壓力容器應力分類的

68、依據(jù)是應力對壓力容器強度失效所起作用的大小。這種作用又取決于下列兩個因素：①應力產生的原因，即應力是外載荷直接產生的還是在變形協(xié)調過程中產生的，外載荷是機械載荷還是熱載荷；②應力作用的區(qū)域與分布形式，即應力的作用是總體范圍還是局部范圍的，是沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性的。</p><p>　　目前，比較通用的應力分類方法是將壓力容器中的應力分為三大類：一次應力、二次應力和峰值應力三大類。下面分別予以介紹

69、。</p><p>　　4.2.1 一次應力P</p><p>　　一次應力是指平衡外加機械載荷所必須的應力。一次應力必須滿足外載荷與內力及內力矩的靜力平衡關系，它隨外載荷的增加而增加，不會因達到材料的屈服強度而自行限制，所以，一次應力的基本特征是“非自限性”。另外，當一次應力超過屈服強度時將引起容器總體范圍內的顯著變形或破壞。因此，必須防止發(fā)生過度的塑性變形，并為爆破或蠕變失效留有足夠的

70、裕度。</p><p>　　一次應力有三種類型：一次總體薄膜應力、一次彎曲應力和一次局部薄膜應力。</p><p>　　(1)一次總體薄膜應力Pm，是在所研究的截面厚度上均勻分布的，且等于該截面應力平均值的法向應力(即正應力)的分量。如果這種應力達到屈服極限時，將引起截面整體屈服，不出現(xiàn)荷載的再分配，而是直接導致結構破壞。</p><p>　　(2)一次彎曲應力Pb

71、，是指沿厚度線性分布的應力。它在內、外表面上大小相等、方向相反。由于沿厚度線性分布，隨外載增大，故首先是內、外表面進入屈服，但此時內部材料仍處于彈性狀態(tài)。若載荷繼續(xù)增大，應力沿厚度的分布將重新調整。因此這種應力對容器強度失效的危害性沒有一次總體薄膜應力那樣大。</p><p>　　(3)一次局部薄膜應力PL，是由內壓或其它機械荷載產生的，由于結構不連續(xù)或其它特殊情況的影響而在管道或附件的局部區(qū)域有所增強的一次薄膜

72、應力。這類應力雖然具有二次應力的一些特征，但為安全計，通常仍劃為一次應力。這種應力達到屈服極限時，只引起局部屈服，塑性應變仍然受到周圍彈性材料的約束，所以屈服是允許的。例如，在固定支架處或接管連接處由于外載產生的一次薄膜應力，通常劃為一次局部薄膜應力。</p><p>　　4.2.2 二次應力Q</p><p>　　二次應力是由于變形受約束所產生的正應力或切應力。它本身不直接與外力相平衡。

73、二次應力的特征是有自限性的，當局部屈服和產生小量塑性變形就能使應力降低下來。對于塑性良好的壓力容器，一般在初次加載時，二次應力不會直接導致破壞，只有當應變在多次重復交變的情況下，才引起管道疲勞破壞。因此，對于二次應力的限定，并不取決于一個期間的應力水平，而是取決于交變的應力范圍和交變循環(huán)的次數(shù)。</p><p>　　壓力容器由熱脹、冷縮和其它位移受約束而產生的應力，屬于二次應力。但是，在彈性轉移較大時，這一類應力

74、與一次應力的作用相近。</p><p>　　壓力容器由于溫度不均勻的縱向溫度梯度或內外壁徑向溫度梯度所產生的溫差應力，以及與連接部件有不同的金屬特性(線膨脹系數(shù)不同)而產生的熱應力(或稱總體熱應力)屬于二次應力。二次應力也有二次薄膜應力和二次彎曲應力兩部分。</p><p>　　4.2.3 峰值應力F</p><p>　　峰值應力是管道或附件由于局部結構不連續(xù)或局部

75、熱應力效應(包括局部應力集中)附加到一次應力或二次應力的增量。它的特點是不引起顯著的變形，而且在短距離內從它的根源衰竭，它是一種導致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因。</p><p>　　例如，壓力容器由于溫度分布不均勻，不同膨脹幾乎全部被限制，不引起顯著變形的局部熱應力，以及附件上小半徑圓角處、焊縫未焊透處的應力，均屬于峰值應力。</p><p>　　4.3 應力強度評定方法[10]<

76、/p><p>　　如圖4.1，依據(jù)JB4732-95，在只考慮壓力載荷的條件下，應力強度值應依次滿足下列各條對許用極限的規(guī)定：</p><p>　　(1)一次總體薄膜應力強度SI的許用極限為KStm；</p><p>　　(2)一次局部薄膜應力強度SII的許用極限為1.5KStm；</p><p>　　(3)一次薄膜加一次彎曲應力強度SIII的許

77、用極限為1.5KStm；</p><p>　　(4)一次加二次應力強度SIV的許用極限為3KStm。</p><p>　　注：Stm為設計應力強度，在本設計中K取1。</p><p><b>　　4.4 設計條件</b></p><p>　　某公司制造的某臺高壓分離罐，需對其結構進行分析設計。本章采用有限元分析方法并結合

78、JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設計標準》的要求對高壓分離罐上封頭、油氣入口以及裙座處等應力集中區(qū)域進行了詳盡的應力分析和全面的應力強度評定。</p><p>　　根據(jù)設計圖紙的標注，該設備的主要設計參數(shù)如表4.2所示。</p><p><b>　　表4.2 設計參數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)GB150-2011[11]，查得筒體

79、及封頭材料性能如表4.3所示。</p><p><b>　　表4.3 材料性能</b></p><p>　　分離罐規(guī)格為φ1800*(6.5+110)，筒體最小壁厚110mm，半球形封頭最小壁厚80mm。考慮到分離罐內壁有6.5mm堆焊覆層，覆層力學性能不好。因此，作如下簡化：建立分析模型時取筒體規(guī)格為φ1813*110。</p><p>　　

80、4.5 高壓分離罐應力分析</p><p>　　4.5.1 上封頭[12]</p><p>　　根據(jù)上封頭處的結構特性和受力特點，采用軸對稱結構建立平面模型進行應力分析。幾何結構見圖4.2。</p><p>　　圖4.2 上封頭幾何結構</p><p>　　(1)建立幾何模型及網格劃分</p><p>　　打開ANSY

81、S軟件，進入工作界面，建立上封頭幾何模型。由于繪制平面圖，所以先繪制關鍵點，然后通過線連接關鍵點建模。為了方便選取關鍵點坐標，可以先在AutoCAD軟件中繪出圖形，并記錄關鍵點的坐標。繪制時應注意坐標的選取，使坐標原點位于封頭圓心處，便于封頭的繪制。當線連接完成后，把需要圓滑過渡的地方進行圓角命令，這樣，初始圖形就繪制出來了。接下來的工作是要創(chuàng)建面，可以通過線進行創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后的模型如圖4.3所示。</p><p&

82、gt;　　圖4.3 上封頭幾何模型</p><p>　　建立模型后，應用ANSYS網格劃分命令里的網格劃分工具來劃分結構單元。由于此結構較為簡單，所以采用Free命令來劃分自動對模型進行網格劃分。網格大小預先設置為10。對于結構不連續(xù)區(qū)域進行網格細化。整體劃分完成后如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 上封頭網格劃分</p><p><b>　　

83、(2)加載與約束</b></p><p>　　當網格劃分完成后，就需要對模型施加載荷和約束條件。進入到求解命令里，找到定義載荷，進入應用里面的結構，開始進行定義。具體邊界條件為：</p><p>　?、俜治瞿Ｐ偷撞浚骸鱕=0；</p><p>　?、谏隙朔ㄌm處：Fp1=-5.55MPa；</p><p>　　③殼體內表面：Pd=1

84、6.6MPa。</p><p>　　定義載荷和約束條件后的模型圖如下圖4.5所示：</p><p>　　圖4.5 上封頭載荷分布和約束條件</p><p><b>　　(3)求解</b></p><p>　　載荷和約束條件都定義完成后，就可以進行求解了。進入求解命令，進行求解。求解完成后顯示整體變形圖，位移矢量圖和應力分

85、布圖，如圖4.6，圖4.7和圖4.8所示。</p><p>　　圖4.6 上封頭整體變形圖</p><p>　　圖4.7 上封頭位移矢量圖</p><p>　　圖4.8 上封頭應力分布圖</p><p>　　由應力分布圖我們可知，在封頭和法蘭連接處，封頭和筒體連接處，法蘭拐角處應力較大。而且可以發(fā)現(xiàn)，在筒體上的應力分布較均勻，這是由周向應力所

86、決定的。而封頭上的應力基本比筒體上的要小，而這是由于封頭材料厚度大于筒體厚度。</p><p>　　由變形圖可知，在法蘭和封頭連接處，法蘭的拐角處和封頭與筒體連接處變形較大，這是有應力分布情況和模型形狀決定的。</p><p><b>　　(4)應力強度評定</b></p><p>　　在分析模型的關鍵部位進行應力強度校核，也就是應力比較集中的

87、部位和應力較大且模型尺寸有過渡的地方，還有在拐角區(qū)域的應力也比較大，也同樣需要校核。用節(jié)點法定義路徑，找到應力集中的部位，在法蘭與接管，封頭與接管，封頭截面，封頭與筒體，筒體截面等處建立5條應力強度校核路徑，如圖4.9。應力分析結果見附件1。</p><p>　　圖4.9 上封頭應力強度校核路徑</p><p>　　按JB4732-95的分析設計準則進行應力強度校核，即一次薄膜應力強度的許

88、用極限為1倍的設計應力強度；一次薄膜加一次彎曲應力強度的許用極限為1.5倍的設計應力強度。從ANSYS的后處理中提取出了以上5條分析路徑上的薄膜應力強度和薄膜加彎曲應力強度。對圓筒、球殼和球形封頭，取遠離結構突變區(qū)路徑上求解的薄膜應力，可視為一次總體薄膜應力。而對結構不連續(xù)區(qū)域的薄膜應力可視為局部薄膜應力。分析校核結果列于表4.5中。</p><p>　　表4.5 應力分析結果</p><p&

89、gt;　　由以上計算結果可知，按JB4732-95的分析設計準則進行應力強度校核，高壓分離罐上封頭處設計符合設計標準。</p><p>　　4.5.1 油氣入口開孔[5]</p><p>　　油氣入口是高壓分離罐的關鍵內構件，加氫反應通常采用加入冷氫的方法控制床層溫度。根據(jù)冷氫箱開孔處的結構特性和受力特點，采用軸對稱結構，建立立體模型，幾何結構見圖4.10。</p><

90、p>　　圖4.10 油氣入口開孔處幾何結構</p><p>　　(1)建立幾何模型及網格劃分</p><p>　　打開ANSYS軟件，進入工作界面，建立油氣入口幾何模型。此結構需要建立立體模型，我們先建立半圓筒模型。然后通過布爾運算，對各實體進行處理建模。繪制時需注意坐標的位置，繪制接管時應平移和旋轉坐標系，使接管的軸向與坐標系Z軸方向平行。模型完成后，把需要圓滑過渡的地方進行圓角命

91、令。創(chuàng)建完成后的模型如圖4.11所示。</p><p>　　圖4.11 油氣入口幾何模型</p><p>　　建立模型后，應用ANSYS網格劃分命令里的網格劃分工具來劃分結構單元。由于此結構較為復雜，所以需要自行設置網格份數(shù)對模型進行網格劃分。整體劃分完成后如圖4.12所示。</p><p>　　圖4.12 油氣入口網格劃分</p><p>

92、<b>　　(2)加載與約束</b></p><p>　　當網格劃分完成后，就需要對模型施加載荷和約束條件。進入到求解命令里，找到定義載荷，進入應用里面的結構，開始進行定義。具體邊界條件為：</p><p>　　①筒體模型上側：全約束；</p><p>　?、谕搀w模型下側：對稱約束；</p><p>　?、蹖ΨQ面：對稱約

93、束；</p><p>　　④接管左端處：Fp2=-2.42MPa；</p><p>　?、萃搀w及接管內表面：Pd=16.6MPa。</p><p>　　定義載荷和約束條件后的模型圖如下圖4.13所示。</p><p>　　圖4.13 油氣入口載荷分布和約束條件</p><p><b>　　(3)求解</

94、b></p><p>　　載荷和約束條件都定義完成后，就可以進行求解了。進入求解命令，進行求解。求解完成后顯示整體變形圖和位移矢量圖和應力分布圖，如圖4.14，圖4.15和圖4.16所示。</p><p>　　圖4.14 油氣入口整體變形圖</p><p>　　圖4.15 油氣入口位移矢量和</p><p>　　圖4.16 油氣入口應力

95、分布圖</p><p>　　由應力分布圖我們可知，筒體開孔處處應力較大。而且可以發(fā)現(xiàn)，在筒體上的應力分布較均勻，這是由周向應力所決定的。</p><p><b>　　(4)應力強度評定</b></p><p>　　在分析模型的關鍵部位進行應力強度校核，也就是應力比較集中的部位和應力較大且模型尺寸有過渡的地方，還有在拐角區(qū)域的應力也比較大，也同樣

96、需要校核。用節(jié)點法定義路徑，找到應力集中的部位，在接管截面，筒體與接管連接處，筒體截面等建立4條應力強度校核路徑，如圖4.17。應力分析結果見附件2。</p><p>　　圖4.17 油氣入口應力強度校核路徑</p><p>　　在JB4732-95中查到高分罐材料12Cr2Mo1R的設計應力強度Stm為165MPa。按JB4732-95的分析設計準則進行應力強度校核。從ANSYS的后處理

97、中提取出了以上4條分析路徑上的薄膜應力強度和薄膜加彎曲應力強度。分析校核結果列于表4.6。</p><p>　　表4.6 應力分析結果</p><p>　　由以上計算結果可知，按JB4732-95的分析設計準則進行應力強度校核，高壓分離罐油氣入口開孔處設計符合設計標準。</p><p>　　4.5.3 裙座[13]</p><p>　　由于研

98、究裙座處的應力分布情況，所以忽略下封頭上的反應物出口和催化劑卸料口。根據(jù)裙座處的結構特性和受力特點，采用軸對稱結構建立平面模型進行應力分析。裙座幾何結構見圖4.18。</p><p>　　圖4.18 裙座幾何結構</p><p>　　(1)建立幾何模型及網格劃分</p><p>　　打開ANSYS軟件，進入工作界面，建立幾何模型。由于繪制平面圖，所以先繪制關鍵點，然

99、后通過線連接關鍵點建模。繪制時應注意坐標的選取，使坐標原點位于封頭圓心處，便于封頭的繪制。當線連接完成后，把需要圓滑過渡的地方進行圓角命令，這樣，初始圖形就繪制出來了。接下來的工作是要創(chuàng)建面，可采用線圍成面的方式進行創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后的模型如圖4.19所示。</p><p>　　圖4.19 裙座分析模型</p><p>　　建立模型后，應用ANSYS網格劃分命令里的網格劃分工具來劃分結構單元

100、。由于此平面結構較為簡單，所以采用Free命令來劃分自動對模型進行網格劃分。網格大小都設置為10。對于結構不連續(xù)區(qū)域進行網格細化。整體劃分完成后如圖4.20所示。</p><p>　　圖4.20 裙座網格劃分</p><p><b>　　(2)加載與約束</b></p><p>　　當網格劃分完成后，就需要對模型施加載荷和約束條件。進入到求解命

101、令里，找到定義載荷，進入應用里面的結構，開始進行定義。具體邊界條件為：</p><p>　?、偃棺撞浚骸鱕=0；</p><p>　?、谙路忸^對稱截面處：△X=0；</p><p>　?、垌敹朔ㄌm處：Fp=-64.497MPa；</p><p>　?、軞んw內表面：Pd=16.6MPa。</p><p>　　定義載荷

102、和約束條件后的模型圖如下圖4.21所示：</p><p>　　圖4.21 裙座載荷分布和約束條件</p><p><b>　　(3)求解</b></p><p>　　載荷和約束條件都定義完成后，就可以進行求解了。進入求解命令，進行求解。求解完成后顯示整體變形圖和位移矢量圖和應力分布圖，如圖4.22，圖4.23和圖4.24所示。</p>

103、;<p>　　圖4.22 裙座整體變形圖</p><p>　　圖4.23 裙座位移矢量圖</p><p>　　圖4.24 裙座應力分布圖</p><p>　　由應力分布圖我們可知，在封頭和筒體連接處以及裙座處處應力較大。而且可以發(fā)現(xiàn)，在筒體上的應力分布較均勻，這是由周向應力所決定的。</p><p><b>　　(4)

104、應力強度評定</b></p><p>　　在分析模型的關鍵部位進行應力強度校核，也就是應力比較集中的部位和應力較大且模型尺寸有過渡的地方，還有在拐角區(qū)域的應力也比較大，也同樣需要校核。用節(jié)點法定義路徑，找到應力集中的部位，筒體截面，封頭與筒體連接處，裙座截面，封頭截面等處建立5條應力強度校核路徑，如圖4.25。應力分析結果見附件3。</p><p>　　圖4.25 裙座應力強度

105、校核路徑</p><p>　　按JB4732-95的分析設計準則進行應力強度校核，即一次薄膜應力強度的許用極限為1倍的設計應力強度；一次薄膜加一次彎曲應力強度的許用極限為1.5倍的設計應力強度。從ANSYS的后處理中提取出了以上5條分析路徑上的一次薄膜應力強度和一次薄膜加一次彎曲。對圓筒、球形封頭，取遠離結構不連續(xù)路徑上求解的薄膜應力，可視為一次總體薄膜應力。而對結構不連續(xù)區(qū)域的薄膜應力可視為局部薄膜應力。應力強

106、度分析結果列于表4.7。</p><p>　　表4.7 應力分析結果</p><p>　　由以上計算結果可知，按JB4732-95的分析設計準則進行應力強度校核，高壓分離罐裙座處設計符合設計標準。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本論文首先對有限元法、ANSYS軟件及高壓分離罐進行了簡要概述

107、。然后結合實例，對某高壓分離罐的高應力區(qū)進行了應力分析及校核。最后得出該高壓分離罐設計合格的分析結果。</p><p>　　由于基于彈性失效準則的常規(guī)設計方法的局限性，它已不能完全適應工程設計的要求。本設計采用的基于塑性失效準則的分析設計的方法，并使用有限元軟件ANSYS大大提高了計算的準確性。對一些大型的、重要的容器，采用分析設計方法進行設計，既可以減薄厚度，降低容器重量，又可以提高容器的安全可靠性。利用有限元

108、法進行分析設計不但可以保證壓力容器的高質量，而且能進一步優(yōu)化其結構，將越來越多的應用到現(xiàn)代容器的設計中。</p><p>　　為了得到更加精確的分析結果，本文可做以下改進：①考慮筒體內堆焊覆層的影響，設定堆焊層的材料參數(shù)；②建立幾何模型時，加入其他接管的影響；③在對裙座應力分析時考慮熱應力的影響，進行應力疊加。</p><p>　　使用ANSYS進行分析設計時，需要建立分析模型、劃分網格以

109、及施加載荷和約束，因此以上任意部分的缺陷都會影響最終的分析結果。由于本人水平所限，在設計說明和應力分析校核時難免存在不妥之處，敬請各位老師批評指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]P.H.W. Ridley,G.W. Roberts.Finite element modelling of nanoelements[J].Jou