整体多层包扎式高压容器应力状态研究

发布时间：2020-07-14 13:28

【摘要】：整体多层包扎式高压容器是一种无深环焊缝的层板包扎式高压容器。它是将内筒首先拼接到所需长度,两端便可焊上法兰或封头,然后在整个长度上逐层包扎层板。待全长度包扎好并焊好磨平后再包扎第二层,直包扎到所需厚度。这种方法包扎时各层的环焊缝可以相互错开,且层板纵焊缝也相互错开一定的角度。由于容器无深厚环焊缝,具有只漏不爆等优点,近年来得到广泛认可,其应用领域在不断扩大。广泛应用于石油、化工、冶金等行业,如合成氨装置中的氨分离器,氨合成塔,尿素合成塔等。整体多层包扎式高压容器作为静压承载装置,当假设层间完美接触时的应力状态的研究已经揭示了许多重要特性和规律,为该类容器的设计、生产及运用提供了理论依据。但是容器层间存在间隙和在动态载荷作用下的应力状态的研究还不够深入,且整体多层包扎式高压容器端部的应力状态尚未得到详细分析。对整体多层包扎式高压容器应力状态进行系统和深入的研究对于该类容器的强度计算、优化设计和安全使用具有重要意义。本文主要对静态、动态不同压力载荷作用下整体多层包扎容器筒体层间存在间隙时的应力状态进行了理论分析和数值计算,并对整体多层包扎容器筒体与球形封头连接区应力状态进行了数值分析。主要研究工作和结论如下： (1)筒体应力状态理论研究。基于弹性理论假设,分析归纳了静压作用下层间存在均匀间隙时不同端部支承条件下多层包扎容器筒体的应力状态,得到了动态压力作用下层间存在均匀间隙时筒体应力解析计算公式,并将不同载荷作用下层间有或无间隙时的应力状态进行了比较。理论分析表明：在内压作用下,容器内壁应力随着层间间隙的增大而增大。对于层间存在不均匀间隙的情况,按照变形量等效原理将不均匀间隙等效为均匀间隙,并将等效前后的内壁应力值进行了对比分析,表明等效计算方法是可行的。以某两层容器为例,通过分别计算均匀间隙和非均匀间隙的应力分布情况,结果表明：非均匀间隙等效为均匀间隙后的内壁应力值与非均匀间隙平均应变法计算的应力值或有限元方法得到的应力值相比,数值偏小,但是误差不大。 (2)筒体应力状态数值模拟。针对远离端部的筒体部分,应用ANSYS接触单元建立了整体多层包扎式高压容器筒体应力状态分析模型,模拟其在静压、动压不同载荷作用下及层间有或无间隙情况下筒体的应力状态。与解析理论分析结果对比,数值解与与解析解相吻合,表明了层间接触模型分析的合理性。 (3)端部连接区应力状态数值模拟。在筒体层间间隙接触模型分析的基础上,建立了多层筒体与球形封头连接区有限元分析模型。连接封头的多层筒体采用了层间接触模型,而球形封头为整体模型,得到了端部为阶梯式连接结构的应力分布状态。并与相同尺寸非多层结构应力分布进行了比较。结果表明,两种结构内外壁应力变化趋势相似,在连接区出现了明显的应力集中,连接处最大轴向应力值大于最大周向应力,但达到最大应力值后迅速衰减。利用有限元分析结果进行了强度评定,表明多层筒体与球形封头连接区阶梯结构的强度足够。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH49
【图文】：

整体多层,高压容器,层板,环焊缝

工机械厂与华南理工大学自1984年以来开始开发、研制该结构型式的高压容器，改进有关夹紧装置，增加回位机械手，对开口压贴回位，并利用层间摩擦减少焊缝长度[3]。经过严谨的测试和实验验证，各项技术指标均满足国家标准，该种结构的多层容器能充分保证安全性能(先漏后爆)。简化焊接工艺，节能、节材。省时。制造成本显著下降，且具有多层容器大型化和现场组装的广阔前景，于1990年试制成功整体多层夹紧式高压容器。1998年我国化工部公布了整体多层夹紧式高压容器国家标准[4]。该标准规定了整体多层夹紧式高压容器适用于设计压力不大于35MPa，设计温度范围为一20℃一350℃。整体多层包扎式高压容器是在一整体内筒上采用机械手逐层夹紧包扎层板，且层板纵环焊接接头相互错开而成的一种多层压力容器，如图1.1所示[4]，层板筒节纵缝周向错开角度为“，相邻层环缝轴向错开距离为L。在层板包扎过程中，先将内筒、底封头和端部法兰组焊成整体内筒，再把预卷好的层板筒节从底封头处套入整体内筒上包扎或夹紧层板并点焊固定〔5〕。特点阶7]如下:

筒体,间隙,弹性,轴向变形

端封闭但轴向未受到约束筒体，E:，0对两端封闭但轴向未受到约束的多层压力容器，当层间有均间隙以及消除全部间隙后的应力进行了详细的分析，应力9)。本文第三章应用有限元方法建立了两端封闭的多层容器元分析结果与黄炎推导的应力计算公式相吻合，两种计算方表3.3所示。端封闭同时轴向变形受限制的筒体，E:一。筒体远离端部，其应力、应变分量沿轴向的各截面是不变的向应力值不随支承条件的不同而变化。但其轴向应力随支承状轴向变形受到限制两端封闭的筒体，其轴向变形为零，即￡:借鉴黄炎的方法〔’6〕，可以推导出两端封闭同时轴向变形受限制公式。

对比图,筒体,应力分布规律,壁厚

沿壁厚应力分布的有限元数值解与拉美公式理论解的对比，表中丐为两端封闭同时轴向变形受限制的筒体(e:一0)轴向应力值，气为两端封闭的筒体(::，0)轴向应力值。图3.2为远离端部筒体沿壁厚应力分布对比图。对于层间接触压力的计算，可利用拉美公式中，径向应力公式推导而得，当犷一凡、、。。、___pf，嘴、;:二。不11_时，径向应力氏=一p。=二事万}1一鲁}，从而得到:刀‘一1(R夕)尹f尺，，、P方=二万，花.1.二了一11p一1戈找，) (3.1)式中

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