高压分离罐设计说明毕业设计.doc

目录前言11 有限元法31.1 有限元法概述31.2 有限元法与其他分析法的区别31.3 有限元法解题步骤62 有限元分析软件ANSYS82.1 ANSYS软件简介82.2 ANSYS软件的功能102.3 ANSYS软件的分析过程112.3.1 前处理112.3.2 加载求解122.3.3 后处理123 高压分离罐133.1 加氢精制简介133.2 高压分离罐的总体结构143.2.1 材料153.2.2 筒体153.2.3 封头153.3.4 裙座164 高压分离罐应力分析及强度校核174.1 分析设计简介174.2 应力分类184.2.1 一次应力P194.2.2 二次应力Q204.2.3 峰值应力F204.3 应力强度评定方法214.4 设计条件224.5 高压分离罐应力分析234.5.1 上封头244.5.1 油气入口开孔304.5.3 裙座36结论43参考文献44谢辞45附录147附录252附录356前言石化工业是国民经济的重要支柱产业之一，是提供交通运输燃料和石油化工原料的工业，在国民经济、国防和社会发展中具有极其重要的地位和作用。随着人类对石油产品的需求量不断增加，人类对油品质量的要求也也来越高。为了获取高质量的石油加工产品或增产石油化工原料和中馏份油，以及适应高含硫原油、劣质原油深加工的需要与改善环境条件等目的，在现代石油加工工业中出现了加氢工艺装置。加氢工艺于1927年在工业上得到应用，但由于高压设备制造困难，合金钢材耗用量大，投资大等原因，因此在石油炼制工业中一直未得到迅速发展。加氢工艺过程具有工艺流程简单、生产灵活性大，产品收率高，质量好等优点，现在它已作为现代炼油技术在各国炼油行业广泛应用。20世纪90年代以来，世界炼油企业加工的原油重质化趋势加大，原油中硫和重金属含量明显上升，以及各国的环保法规对石油加工产品清洁性要求日趋严格，炼油企业不得不采用清洁生产工艺来生产清洁燃料。与此同时，人们发现柴油机具有明显的节能优势，而且在减少其尾气污染物排放和污染物治理方面也取得了显著成效。成品油市场中柴油需求增长速度远高于汽油。芳烃和乙烯等原料的需求也不断增长，仅仅依靠原油加工量的增长已不能满足需要。因此，加氢工艺和技术受到世界各大石油公司的普遍重视，加氢装置建设和技术开发明显加快。高压分离罐作为加氢工艺装置的关键设备，长期处于高温、高压、临氢、高温硫和硫化氢环境，使用条件苛刻，其设计和制造难度较大。长期以来，国内外对其设计、材料和制造技术进行了大量的理论研究和工程实践，特别是近年来，随着加氢装置的大型化，高压分离罐的制造周期加长、生产成本不断提高。为了缩短制造周期、降低生产成本，保证加氢反应器的安全可靠运行，开发了新材料，应用了许多新工艺、新技术。安全性是设计高压分离罐遵循的重要准则，随着大型化高参数化工容器的广泛使用，在设计观点和方法上，以往所采用的基于弹性失效准则的按“常规设计”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。应用流体分析模型和应力分析技术进行流体场和温度场的模拟，解决了分离器高应力区和高温度区的应力计算，大大提高了计算的准确性和使用的安全性。ANSYS作为最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广泛应用。本文就高压分离罐进行了分析设计说明，其中简要的说明了高压分离罐的结构及结构特点，并结合JB4732-95钢制压力容器分析设计标准着重对加氢反应器局部的应力分布集中状态和应力校核进行了详细的论述。同时，还对所使用的有限元方法和ANSYS 14.0做了简要的说明。1 有限元法1.1 有限元法概述有限元法(FEM，Finite Element Method)起源于到20世纪40年代。Courant第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解St.Venant扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1960年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”，使人们认识到它的作用。有限元法的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元法的优点是解题能力强，可以比较精确地模拟各种复杂的曲线或曲面边界，网格的划分也比较随意，可以统一处理多种边界条件，离散方程的形式规范，便于编制通用的计算机程序，在固体力学方程的数值计算方面取得巨大的成功。但是在应用于流体流动和传热方程求解的过程中却遇到一些困难，其原因在于，按加权余量法推导出的有限元离散方程也只是对原微分方程的数学近似。当处理流动和传热问题的守恒性、强对流、不可压缩条件等方面的要求时，有限元离散方程中的各项还无法给出合理的物理解释1。1.2 有限元法与其他分析法的区别2计算机辅助工程(CAE)的技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM，Finite Element Method)，边界元法(BEM，Boundary Element Method)，有限差分法(FDM，Finite Difference Element Method)等。每一种方法都各有其应用的领域。有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。在河道数值模拟中，常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。不同的组合同样构成不同的有限元计算格式。对于权函数，伽辽金(Galerkin)法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中，先在计算域内选取N个配置点。令近似解在选定的N个配置点上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为0。插值函数一般由不同次幂的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多项式插值函数。有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值点取已知值，称为拉格朗日(Lagrange)多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身，还要求它的导数值在插值点取已知值，称为哈密特(Hermite)多项式插值。单元坐标有笛卡尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。常采用的无因次坐标是一种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维看作长度比，二维看作面积比，三维看作体积比。在二维有限元中，三角形单元应用的最早，近来四边形等参元的应用也越来越广。对于二维三角形和四边形电源单元，常采用的插值函数为有Lagrange插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶或更高阶插值函数、面积坐标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数等。有限差分方法(FDM)是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运用。该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分法以Taylor级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法。对于有限差分格式，从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格式。从差分的空间形式来考虑，可分为中心格式和逆风格式。考虑时间因子的影响，差分格式还可以分为显格式、隐格式、显隐交替格式等。目前常见的差分格式，主要是上述几种形式的组合，不同的组合构成不同的差分格式。差分方法主要适用于有结构网格，网格的步长一般根据实际地形的情况和柯朗稳定条件来决定。构造差分的方法有多种形式，目前主要采用的是泰勒级数展开方法。其基本的差分表达式主要有三种形式：一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等，其中前两种格式为一阶计算精度，后两种格式为二阶计算精度。通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合，可以组合成不同的差分计算格式。有限体积法(FVM)又称为控制体积法。其基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即假设值的分段分布的分布剖面。从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简言之，子区域法属于有限体积发的基本方法。有限体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义，就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是有限体积法吸引人的优点。有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。就离散方法而言，有限体积法可视作有限单元法和有限差分法的中间物。有限单元法必须假定值在网格点之间的变化规律(既插值函数)，并将其作为近似解。有限差分法只考虑网格点上的数值而不考虑值在网格点之间如何变化。有限体积法只寻求的结点值，这与有限差分法相类似；但有限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假定值在网格点之间的分布，这又与有限单元法相类似。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数；如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。1.3 有限元法解题步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：(1)问题及求解域定义，根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。(2)求解域离散化，将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。(3)确定状态变量及控制方法，一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。(4)单元推导，对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵(结构力学中称刚度阵或柔度阵)。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。(5)总装求解，将单元总装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组)，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在结点处。(6)联立方程组求解和结果解释，有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，进行有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。2 有限元分析软件ANSYS2.1 ANSYS软件简介美国ANSYS公司成立于1970年，长期以来一直致力于设计分析软件的开发、研制，其先进的技术及高质量的产品赢得了业界的广泛认可，目前已成为世界CAE行业中最大的公司。在40多年的发展过程中，ANSYS不断改进提高，功能不断增强，其强大的图形处理能力及得心应手的实用工具使得用户在处理问题时得心应手。而且它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等，。目前最新ANSYS已发展到14.5版本，本文使用的版本是ANSYS 14.0。ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具3。目前，ANSYS软件已形成完善、成熟的三大核心体系：以结构、热力学为核心的MCAE体系，以计算流体动力学为核心的CFD体系，以计算电磁学为核心的CEM体系。这三大体系不仅提供MCAE/CFD/CEM领域的单场分析技术，各单场分析技术之间还可以形成多物理场耦合分析机制。在我国，ANSYS的用户也越来越多。三峡工程、黄河下游特大型公路斜拉桥、国家大剧院、浦东国际机场、上海科技城太空城、深圳南湖路花园大厦等在结构设计时都采用了ANSYS软件作为分析工具。图2.1 ANSYS 14.0启动界面图2.2 ANSYS 14.0操作界面2.2 ANSYS软件的功能45ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。其功能主要分为以下5类：(1)结构分析结构分析又可以分为结构静力学分析和结构结构动力学分析。结构静力学分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。(2)ANSYS热分析热分析一般不是单独的，其后往往进行结构分析，计算由于热膨胀或者收缩不均匀引起的应力。程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。(3)ANSYS电磁分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。(4)ANSYS流体分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。(5)ANSYS耦合场分析耦合场分析主要考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此需要一个能将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：在压电分析中，需要同时求解电压分布(电场分析)和应变(结构分析)。2.3 ANSYS软件的分析过程ANSYS分析过程包括3个主要步骤：前处理，加载求解，后处理。2.3.1 前处理在分析过程中，建立有限元模型要花费较多的时间。在前处理过程中，先指定任务名和分析标题，然后在预处理器下定义单元类型、单元实常数、材料特性和有限元模型等。(1)指定任务名和分析标题，该步骤虽然不是必须的，但ANSYS推荐使用任务名和分析标题。(2)定义单位制，ANSYS对单位没专门的要求，除了磁场分析以外，只要保证输入的数据都使用统一的单位制即可。这时，输出的数据与输入数据的单位制完全一致。(3)定义单元类型，从ANSYS提供的单元库内根据需要选择单元类型。(4)定义单元实常数，在选择了单元类型以后，有的单元类型需要输入用于对单元进行补充说明的实常数。是否需要实常数及实常数的类型，由所选单元类型决定。(5)定义材料特性，太多数情况下在分析时都要指定材料特性，ANSYS软件可以选择的材料特性有线性的和非线性的，各向同性的、正向同性的和非弹性的，不随温度变化的和随温度变化的。(6)创建有限元模型，创建有限元模型的方挂有两种：实体建模法和直接生成法。前者先创建实体模型，然后划分网络形成有限元模型；后者直接创建节点、单元，生成有限元模型。2.3.2 加载求解建立有限元模型目后，需要在求解器下选择分析类型，指定分析选项，然后施加载荷和约束，指定载荷步长并对有限元求解进行初始化，最后求解。(1)选择分析类型和指定分析选项，在ANSYS中，可以选择下列分析类型：静态分析、模态分析、谐响应分析、瞬态分析、谱分析、屈曲分析、子结构分析等。平同的分析类型，有不同的分析选项。(2)施加载荷和约束，在ANSYS中的约束处理为自由度载荷。ANSYS的载荷共分为6类：自由度载荷、集中力和力矩、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷和耦合场载荷。如果按载荷施加的主体类型划分的话，ANSYS的载荷又可以分为直接施加在几何实体上的载荷和施加在有限元模型即节点、单元上的载荷。(3)指定载荷步选项，主要是对载荷步进行修改和控制，例如：制定子载荷步数、时间步长、对输出数据进行控制等。(4)求解初始化，主要工作是从ANSYS数据库中在得模型和载荷信息，进行计算求解，并将结果写入到结果文件和数据库中。结果主件和数据库文件的不同点是，数据库文件每次只能驻留一组结果，而结果文件保存所有结果数据。2.3.3 后处理ANSYS的后处理用来观察分析结果。ANSYS的后处理分为通用后处理模块和时间后处理模块两部分。后处理结果可能包括位移温度应力应变速度以及热流等，输出形式可以是图形显示和数据列表两种。ANSYS还提供自动或手动时程计算结果处理的工具6。3 高压分离罐3.1 加氢精制简介加氢精制也称加氢处理，石油产品最重要的精制方法之一。指在氢气和催化剂存在下，使油品中的硫、氧、氮等有害杂质转变为相应的硫化氢、水、氨而除去，并使烯烃和二烯烃加氢饱和、芳烃部分加氢饱和，以改善油品的质量。有时，加氢精制指轻质油品的精制改质，而加氢处理指重质油品的精制脱硫。其主要目的是对油品进行改质，提高产品的安定性及延长发动机等设备使用寿命，减少对环境的污染。20世纪50年代，加氢方法在石油炼制工业中得到应用和发展，60年代因催化重整装置增多，石油炼厂可以得到廉价的副产氢气，加氢精制应用日益广泛。加氢精制可用于各种来源的汽油、煤油、柴油的精制、催化重整原料的精制，润滑油、石油蜡的精制，喷气燃料中芳烃的部分加氢饱和，燃料油的加氢脱硫，渣油脱重金属及脱沥青预处理等。各种油品加氢精制工艺流程基本相同，如图3.1所示，原料油与氢气混合后,送入加热炉加热到规定温度，再进入装有颗粒状催化剂的反应器(绝大多数的加氢过程采用固定床反应器)中。反应完成后，氢气在分离器中分出，并经压缩机循环使用。产品则在稳定塔中分出硫化氢、氨、水以及在反应过程中少量分解而产生的气态氢7。1-加热炉；2-反应器；3-分离罐；4-稳定塔；5-压缩机图3.1 加氢精制工艺流程3.2 高压分离罐的总体结构高压分离罐按其罐壁的使用温度分为冷高压分离罐和热高压分离罐两种。早期的高压分离罐，因无法解决材料在高温下抗氢气和抗硫化氢腐蚀的难题，只能从结构上考虑使壁温降低，采用所谓的冷壁结构，即在壳体内壁上衬以一定厚度的大颗粒珍珠岩混凝土作为隔热层。衬以隔热层后，壁温可维持在300到350。但冷高压分离罐有以下缺点：一是容积有效利用率低，约为50%到60%，且在操作过程中有时因内壁隔热层损坏导致器壁局部过热，使安全生产受到威胁；二是筒体上开孔十分困难。20世纪60年代末开始，高压分离罐逐步由冷壁向热壁过渡，目前已几乎不再制造冷壁结构。热壁反应器有较高的容积利用率，可达80%到90%左右，器壁不易产生局部过热现象，使用安全可靠，生产维护方便，维修周期短，可获得更大的经济效益。高压分离罐的总体结构如图3.2所示。1-气体出口；2-人孔；3-丝网除沫器；4-油气入口；5-进料分离器；6-筒体；7-下球形封头；8-油出口；9-裙座图3.2 高压分离罐结构3.2.1 材料8高压分离罐内壁长期经受高温高压的氢气和硫化氢气体，其材料应具备抗高温腐蚀、抗蠕变，抗氧化和抗氢腐蚀的四抗能力，并应该具有足够的强度。因此，要选用抗氢蚀性能良好的合金钢。目前，几乎都采用能抗氢蚀的Cr-Mo钢作为主体材料，但从抗氢腐蚀性能、抗蠕变性能和最高使用温度限制方面，仍满足不了某些场合需求，特别是随着加氢工艺技术、尤其是渣油加氢改质煤加氢液化工艺的发展，加氢反应器的尺寸越来越大，设计条件更加苛刻，若仍采用一般的Cr-Mo钢来制造，势必会造成壁厚太厚，导致单台反应器重量过大，给制造、安装、运输带来极大的困难，使综合投资大幅度增加，为此有必要开发强度和使用温度更高，抗氢性能更好的新型Cr-Mo钢种。Cr-Mo-V钢正是在此基础上开发出来的新钢种，这种新型Cr-Mo钢与普通Cr-Mo钢相比，各方面都有明显的优越，强度及许用应力、最高使用温度、抗氢性能提高，随着工业技术的不断发展，新型Cr-Mo-V钢会得到越来越广泛的应用。3.2.2 筒体8高压分离罐筒体的结构形式有两种，一种是单层厚板卷焊结构，称板焊结构；另一种是单层锻造筒节焊接结构，称锻焊结构。当分离罐内压力较低、筒体直径较小、壁厚较薄时，多采用板焊结构。而当压力高，直径大，壁厚很厚时，多采用锻焊结构。锻焊结构比较理想，其主要优点是：在制造过程中锻坯需经墩粗，而冲孔可以除去中心部位的偏析和夹渣，提高反应器抗氢蚀能力，材料均匀性好。由于需要机加工，提高了筒节相关尺寸的精度，既方便组装，又减小加工残余应力。结构上可为分离器内部构件的支撑圈设计创造有利条件，以提高此部位的抗裂能力。3.2.3 封头高压分离罐的封头为球形封头，与其他各种形式的封头相比较，球形封头可以设计称壁厚最小，减轻了设备质量。高压分离罐的球形封头一般为非标准尺寸系列封头，为了降低制造成本，高压分离罐上、下封头常采用相同的封头内径。3.3.4 裙座高压分离罐采用裙座结构支承。裙座的形式根据承受载荷情况不同，可分为圆筒形和圆锥形两类。圆筒形裙座制造方便，经济上合理，故应用广泛，但对于受力情况比较差。为防止风载荷或地震载荷引起的弯距造成壳体翻倒，则需要配置较多的地脚螺栓及具有足够大的承载面积的基础环。此时，圆筒形裙座的结构尺寸往往满足不了这么多地脚螺栓的合理布置，因而只能采用圆锥形裙座。裙座不管是圆筒形还是圆锥形，均有裙座筒体，基础环，地脚螺栓，人孔，排气孔，引出管通道，保温支承圈等组成。裙座与壳体焊接于封头的焊接接头可分为对接及搭接。采用对接接头时，裙座筒体外与罐体下封头外径相等，焊缝必须采用全熔透的连续焊8。4 高压分离罐应力分析及强度校核4.1 分析设计简介8目前压力容器设计有两大类标准，一类是常规设计标准，以美国ASME-1压力容器建造和我国GB150钢制压力容器为代表；另一类是分析设计标准，以美国ASME-2压力容器建造另一规则和我国JB4732钢制压力容器分析设计标准为代表。常规设计只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷处理，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，因而不涉及容器的疲劳寿命问题。常规设计本质上是一种基于经验的设计方法，并不是建立在详细应力分析的基础上，它仅计算沿容器壁厚的薄膜应力，只有弯曲应力特别显著、起主导作用时才予以考虑。显然，这种做法的不足之处在于没有对容器重要区域的应力进行严格而详细的计算，从而也就无法对不同部位、由不同载荷引起、对容器失效有不同影响的应力加以不同的限制。为克服常规设计的局限性，1965年美国颁布了首部分析设计标准。经过40多年的发展，分析设计的内涵不断得到扩充和调整。分析设计是以塑性失效准则为基础、采用精细的力学分析手段的压力容器设计方法。目前，分析设计主要包括应力分类法和基于失效模式的直接法。常规设计和分析设计之间既有独立性又有互补性。两者的独立性表现为：常规设计能独立完成的设计，可以直接应用，而不必再做分析设计；分析设计所完成的设计，也不受常规设计能否通过的影响。两者的互补性表现为：常规设计不能独立完成的设计(如疲劳分析、复杂几何形状和载荷情况)，可以用分析设计来补充完成。反之，分析设计也常借助常规设计的公式来确定不见的初步设计方案，然后再做详细分析。但是，常规设计与分析设计不能混用。常规设计与分析设计的对比参见表4.1。表4.1 常规设计与分析设计对比4.2 应力分类89 将应力进行分类是分析设计与常规设计的一大区别。B.F.Langer根据应力分析所得到的的各种性质不同的应力提出：如果能对容器中的应力分布进行具体分析，那就不需要采用单一的许用应力限制，而是根据应力在结构中的具体部位和分布情况及应力产生的原因、危害性等，分别采用不同的许用应力限制。例如：承受内压的容器，当内压逐渐增大，器壁中的薄膜应力不断上升，当环向压力达到材料的屈服点时，若不考虑材料的应变硬化，则壁厚开始减薄，直径变大，最终会发生爆裂。因此，内压引起的薄膜应力必须限制在屈服应力以下。但在缺口处，尽管局部应变已经比屈服应变高出几倍，只要材料是延性的，而载荷又不过多地反复循环导致疲劳裂纹的萌生，即使达到屈服点，出现塑性变形，结构仍然是安全的。而在局部不连续处(如：开孔接管)尽管局部应变已较屈服应变高出很多，但只要材料有足够的延性，而载荷又不反复交变致使裂纹萌生，则在上述状态下仍很安全。还有一些应力如：温度应力，它在结构内是自平衡的，无须平衡外部载荷，达到屈服反而可以帮助材料去克服强加的变形形式；再如封头与筒体由于变形不协调所引起的应力等等，它们都不具有同一性质，不属于同一类型，应予以区别对待，采用不同的许用应力极限。应力分类的概念就是基于以上种种情况，根据应力的起因、应力对失效模式所起的不同作用、应力本身的分布规律等提出的。应力分类的总原则是“等安全裕度原则”对不同性质的应力采用不同的控制值。这样，容器的设计便减少盲目性，趋于安全合理。 压力容器应力分类的依据是应力对压力容器强度失效所起作用的大小。这种作用又取决于下列两个因素：应力产生的原因，即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的，外载荷是机械载荷还是热载荷；应力作用的区域与分布形式，即应力的作用是总体范围还是局部范围的，是沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。目前，比较通用的应力分类方法是将压力容器中的应力分为三大类：一次应力、二次应力和峰值应力三大类。下面分别予以介绍。4.2.1 一次应力P 一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服强度而自行限制，所以，一次应力的基本特征是“非自限性”。另外，当一次应力超过屈服强度时将引起容器总体范围内的显著变形或破坏。因此，必须防止发生过度的塑性变形，并为爆破或蠕变失效留有足够的裕度。 一次应力有三种类型：一次总体薄膜应力、一次弯曲应力和一次局部薄膜应力。 (1)一次总体薄膜应力Pm，是在所研究的截面厚度上均匀分布的，且等于该截面应力平均值的法向应力(即正应力)的分量。如果这种应力达到屈服极限时，将引起截面整体屈服，不出现荷载的再分配，而是直接导致结构破坏。 (2)一次弯曲应力Pb，是指沿厚度线性分布的应力。它在内、外表面上大小相等、方向相反。由于沿厚度线性分布，随外载增大，故首先是内、外表面进入屈服，但此时内部材料仍处于弹性状态。若载荷继续增大，应力沿厚度的分布将重新调整。因此这种应力对容器强度失效的危害性没有一次总体薄膜应力那样大。 (3)一次局部薄膜应力PL，是由内压或其它机械荷载产生的，由于结构不连续或其它特殊情况的影响而在管道或附件的局部区域有所增强的一次薄膜应力。这类应力虽然具有二次应力的一些特征，但为安全计，通常仍划为一次应力。这种应力达到屈服极限时，只引起局部屈服，塑性应变仍然受到周围弹性材料的约束，所以屈服是允许的。例如，在固定支架处或接管连接处由于外载产生的一次薄膜应力，通常划为一次局部薄膜应力。4.2.2 二次应力Q 二次应力是由于变形受约束所产生的正应力或切应力。它本身不直接与外力相平衡。二次应力的特征是有自限性的，当局部屈服和产生小量塑性变形就能使应力降低下来。对于塑性良好的压力容器，一般在初次加载时，二次应力不会直接导致破坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才引起管道疲劳破坏。因此，对于二次应力的限定，并不取决于一个期间的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变循环的次数。压力容器由热胀、冷缩和其它位移受约束而产生的应力，属于二次应力。但是，在弹性转移较大时，这一类应力与一次应力的作用相近。压力容器由于温度不均匀的纵向温度梯度或内外壁径向温度梯度所产生的温差应力，以及与连接部件有不同的金属特性(线膨胀系数不同)而产生的热应力(或称总体热应力)属于二次应力。二次应力也有二次薄膜应力和二次弯曲应力两部分。4.2.3 峰值应力F 峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部热应力效应(包括局部应力集中)附加到一次应力或二次应力的增量。它的特点是不引起显著的变形，而且在短距离内从它的根源衰竭，它是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因。例如，压力容器由于温度分布不均匀，不同膨胀几乎全部被限制，不引起显著变形的局部热应力，以及附件上小半径圆角处、焊缝未焊透处的应力，均属于峰值应力。4.3 应力强度评定方法10如图4.1，依据JB4732-95，在只考虑压力载荷的条件下，应力强度值应依次满足下列各条对许用极限的规定：(1)一次总体薄膜应力强度SI的许用极限为KStm；(2)一次局部薄膜应力强度SII的许用极限为1.5KStm；(3)一次薄膜加一次弯曲应力强度SIII的许用极限为1.5KStm；(4)一次加二次应力强度SIV的许用极限为3KStm。注：Stm为设计应力强度，在本设计中K取1。4.4 设计条件 某公司制造的某台高压分离罐，需对其结构进行分析设计。本章采用有限元分析方法并结合JB4732-95钢制压力容器分析设计标准的要求对高压分离罐上封头、油气入口以及裙座处等应力集中区域进行了详尽的应力分析和全面的应力强度评定。 根据设计图纸的标注，该设备的主要设计参数如表4.2所示。表4.2 设计参数设计压力16.6MPa计算压力16.6MPa设计温度315筒体内径1800mm封头内径1835mm腐蚀余量0mm焊缝系数1基本风压700Pa设备容积20.87m3筒体材料12Cr2Mo1R封头材料12Cr2Mo1R根据GB150-201111，查得筒体及封头材料性能如表4.3所示。表4.3 材料性能材料315下许用应力(MPa)弹性模量(MPa)泊松比()12Cr2Mo1R1651.908×1050.3分离罐规格为1800*(6.5+110)，筒体最小壁厚110mm，半球形封头最小壁厚80mm。考虑到分离罐内壁有6.5mm堆焊覆层，覆层力学性能不好。因此，作如下简化：建立分析模型时取筒体规格为1813*110。4.5 高压分离罐应力分析4.5.1 上封头12根据上封头处的结构特性和受力特点，采用轴对称结构建立平面模型进行应力分析。几何结构见图4.2。图4.2 上封头几何结构(1)建立几何模型及网格划分打开ANSYS软件，进入工作界面，建立上封头几何模型。由于绘制平面图，所以先绘制关键点，然后通过线连接关键点建模。为了方便选取关键点坐标，可以先在AutoCAD软件中绘出图形，并记录关键点的坐标。绘制时应注意坐标的选取，使坐标原点位于封头圆心处，便于封头的绘制。当线连接完成后，把需要圆滑过渡的地方进行圆角命令，这样，初始图形就绘制出来了。接下来的工作是要创建面，可以通过线进行创建，创建完成后的模型如图4.3所示。图4.3 上封头几何模型建立模型后，应用ANSYS网格划分命令里的网格划分工具来划分结构单元。由于此结构较为简单，所以采用Free命令来划分自动对模型进行网格划分。网格大小预先设置为10。对于结构不连续区域进行网格细化。整体划分完成后如图4.4所示。图4.4 上封头网格划分(2)加载与约束当网格划分完成后，就需要对模型施加载荷和约束条件。进入到求解命令里，找到定义载荷，进入应用里面的结构，开始进行定义。具体边界条件为